Mario Paniccia
Silicon (Si) là vật liệu phổ biến trong công nghệ vi mạch điện tử thế nhưng trong công nghệ laser thì nó lại ít được biết đến vì loại vật liệu này thuộc vào lớp các vật liệu bán dẫn có vùng cấm gián tiếp nên về lí thuyết là rất khó có thể tạo ra hiệu ứng phát xạ laser. Thế nhưng, công nghệ ngày nay đã tạo ra được những laser silicon đầu tiên. Dưới đây là những trao đổi của tạp chí Optics & Laser Europe với một chuyên gia tại Intel về những vấn đề xoay quanh công nghệ này.

Mario Paniccia là giám đốc phòng thí nghiệm Photonic Technology Lab tại Intel. Năm 2004, ông được bình chọn bởi tạp chí Scientific American là một trong 50 nhà khoa học hàng đầu hoạt động trong lĩnh vực quang tử silicon. Năm 2004, nhóm nghiên cứu của Paniccia đã tiên phong chế tạo ra bộ điều chế (modulator) bằng Si đầu tiên với tốc độ 1 GHz và kế tiếp đó là laser Si đầu tiên vào năm 2005.

Dưới đây là nội dung cuộc chuyện trò.

Ông có thể tóm tắt lại làm thế nào mà laser Si có thể phát xạ ánh sáng và những thành tựu trong lĩnh vực này cho đến thời điểm hiện tại?

Silicon là một vật liệu bán dẫn có vùng cấm gián tiếp và vì vậy mà hiệu suất phát xạ ánh sáng của nó rất thấp. Điều này có nghĩa là không thể chế tạo ra laser Si theo cách thông thường mà chúng ta hay làm với các loại vật liệu bán dẫn có vùng cấm trực tiếp chẳng hạn như InP và GaAs. Đã có nhiều nỗ lực bỏ ra để tạo ra một laser Si bằng cách thay đổi cấu trúc vùng cấm của nó. Cho đến nay, chỉ có hai loại laser Si được chế tạo thành công: Laser Si Raman và laser Si lai ghép

Một laser Si Raman được làm từ một mẫu tinh thể Si nguyên bản và được bơm kích thích bằng phương pháp quang học giống như cách mà người ta làm với những laser Ruby đầu tiên. Laser này sử dụng hiệu ứng tán xạ Raman cưỡng bức để tạo tăng ích trong vât liệu Si.

Ảnh
Chip laser Si lai ghép. Nguồn Intel

Laser Si lai ghép sử dụng thành phần InP cho việc tạo ánh sáng và tăng ích. Ánh sáng được tạo ra nhờ sự đảo mật độ các hạt điện tích thông qua bơm điện tử. Tuy nhiên, đặc tính của laser quyết định bởi hộp cộng hưởng Si. Bước sóng phát xạ được xác định thông qua một cách tử được tạo ra trên bề mặt của ống dẫn sóng - hộp cộng hưởng Si. Laser hoạt động khi ánh sáng tạo ra từ lớp InP được ghép rất nhanh vào ống dẫn sóng Si sau đó được khuếch đại nhờ việc phản xạ qua lại trong ống cộng hưởng Si đó. Hai loại vật liêu được kết nối qua một lớp oxit mỏng phủ trên bề mặt hoạt động giống như một loại keo đặc biệt dưới ảnh hưởng nhiệt độ và lực ép hai phần vào nhau. Việc kết nối hai loại vật liệu này với nhau như vậy giúp tránh vấn đề liên quan đến sự không tương thích mạng tinh thể đồng thời cho phép phát triển nhiều laser cùng lúc trên cùng một lần kết nối

Tại sao theo đuổi phát triển công nghệ này lại quan trong?

Si là vật liệu lựa chọn trong ngành công nghiệp điện tử. Trong 40 năm qua, định luật Moore và khả năng tích hợp ngày càng nhiều các transitor lên Si đã khiến cho công nghệ vi mạch trở nên phổ biến trên thị trường. Nếu chúng ta nhìn lại công nghệ quang ngày nay, nó vẫn chỉ dựa trên các thành phần thiết bị đơn lẻ mà chúng được tích hợp thủ công với nhau với số lượng rất ít, chính vì vậy mà rất đắt đỏ.

Mục đích của quang tử Si là xây dựng nên những thiết bị quang từ một quy trình công nghệ sản xuất giống như sử dụng trong công nghệ vi mạch điện tử ngày nay. Với những lợi ích về khả năng tích hợp và kích thước nhỏ của thiết bị khiến cho giá thành của nó giảm từ đó một số lượng lớn các chip quang sẽ được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực.

Cho đến nay, rất nhiều các thành phần cần thiết cho việc tích hợp các chip quang tử đã được thực hiện thành công bao gồm các bộ điều chế tốc độ cao, các bộ biến đổi quang điên (photodetector) dựa trên nền SiGe, các bộ chia/ghép công suất (splitter/coupler). Chỉ còn lại laser Si được coi là một lỗ hổng trong quang tử Si. Nó là bước cần thiết cuối cùng để hiện thực hóa các vi mạch quang tử tích hợp.

Đâu là ứng dụng chủ yếu của Laser Si và theo ông thì khi nào nó sẽ được ứng dụng?

Laser Si Raman rất hữu dụng trong các ứng dụng cảm biến và y sinh học. Công nghệ laser này có thể tạo ra các bước sóng ánh sáng mà các laser thông thường dựa trên các vật liệu lớp III-V rất khó có thể tạo ra đặc biệt là trong vùng giữa và vùng trên của hồng ngoại (2–4  µm và 5–10 µm tương ứng).

Laser Si lai ghép thì được đánh giá cao cho các ứng dụng về truyền thông vì nó được bơm bằng dòng điện. Thêm nữa, rất nhiều laser với các bước sóng phát xạ khác nhau có thể được tạo ra trên cùng một con chip.

Tất cả những công nghệ này hiện đang ở giai đoạn nghiên cứu, tuy nhiên, chúng tôi hi vọng rằng chúng sẽ được thương mại hóa chỉ trong vòng 5 đến 7 năm nữa.

Gần đây, đâu là bước tiến quan trọng nhất trong lĩnh vực này?

Có rất nhiều thành tựu đột phá trong thời gian gần đây. Rất nhiều khối mạch đã được kiểm nghiệm hoạt động tại tốc độ 40 Gb/s bao gồm các bộ điều chế Si tốc độ cao và các bộ biến đổi quang điện SiGe tốc độ cao. Các chức năng chuyển đổi bước sóng và ứng dụng trong Si cũng đã được trình diễn ở tốc độ 40 Gb/s. Cuối cùng, một laser Si cấu trúc lai ghép đã được thực hiện thành công trong năm 2006. Hiện giờ chúng tôi có rất nhiều các khối mạch chủ chốt cần thiết để có thể tạo nên các con chip quang tử tích hợp.

Đâu là thử thách mấu chốt cần phải vượt qua trogn lĩnh vực này?

Thử thách quan trọng tiếp theo sẽ là việc tích hợp được những khối mạch đã được xây dựng lại với nhau. Vấn đề này không nên xem thường vì nó sẽ đòi hỏi các thay đổi về quy trình. Tuy nhiên, giá trị và lợi ích của quang tử Si tích hợp là tạo ra các yếu tố và chức năng mới mà ta không thể có được từ việc phát triển các thành phần thiết bị đơn lẻ. Tất cả mọi nỗ lực tập trung hiện giờ của chúng tôi là làm sao hiện thực hóa được các vi mạch tích hợp quang với một laser Si trong đó.

Ông cho rằng bước đột phá kế tiếp sẽ là gi?

Tôi có thể tưởng tượng ra sự thành công trong chế tạo các vi mạch quang hoạt động ở tốc độ 500 Gb/s hay 1 Tb/s trong vòng 3 đến 5 năm nữa. Ngoài ra, tôi không dám chắc rằng sẽ có nhiều thành công đột phá đằng sau nó.

Thành Việt (theo Optics.org)



Bình luận

  • TTCN (0)