Một mạch tích hợp quang tử, với các thành phần được liên kết bằng một kỹ thuật cho phép mạch hoạt động và tồn tại trong môi trường khắc nghiệt. Nguồn: NIST

Tại sao bao bì lại quan trọng đối với quang học?

Trong ngành sản xuất chip, "bao bì" đề cập đến lớp vỏ bảo vệ và hệ thống kết nối bao quanh chip, liên kết nó với thế giới bên ngoài, bao gồm cáp quang, các tiếp điểm điện và các thành phần khác. Bao bì tốt cho phép các chip được sử dụng trong các thiết bị nhỏ gọn, đáng tin cậy mà không bị hư hỏng hoặc lệch vị trí.

Các chip tích hợp quang tử có một lợi thế đặc biệt vì chúng truyền dữ liệu ở tốc độ cao trong khi tiêu thụ ít năng lượng hơn nhiều so với các chip thông thường—nhưng chỉ khi bao bì có thể giữ cho các kết nối quang học tinh tế được căn chỉnh hoàn hảo.

Các chip tích hợp quang tử đã đóng vai trò trung tâm trong viễn thông, chẩn đoán y tế và cảm biến tiên tiến. Tuy nhiên, việc sử dụng chúng trong các môi trường khắc nghiệt vẫn còn hạn chế. Các công nghệ đóng gói truyền thống không thể duy trì kết nối đáng tin cậy giữa các chip quang tử và sợi quang trong điều kiện khắc nghiệt—như bức xạ mạnh, chân không cực cao, nhiệt độ cực nóng hoặc cực lạnh.

Nhiều công nghệ lượng tử, bao gồm một số nền tảng điện toán lượng tử hàng đầu, yêu cầu môi trường chân không cực cao, nhiệt độ chỉ cao hơn độ không tuyệt đối vài độ, hoặc cả hai. Các sứ mệnh không gian, lõi lò phản ứng hạt nhân và máy gia tốc hạt khiến các thiết bị tiếp xúc với bức xạ mạnh. Các ứng dụng công nghiệp và năng lượng đòi hỏi các cảm biến có thể chịu được nhiệt độ cao, áp suất và môi trường ăn mòn.

"Nghiên cứu của chúng tôi đánh dấu một bước tiến lớn hướng tới việc đưa tốc độ và hiệu quả của quang học vào những môi trường mà các chip bán dẫn thông thường chạy bằng dòng điện và các chip quang học được đóng gói bằng các phương pháp truyền thống chưa thể hoạt động được", Nhà vật lý Nikolai Klimov của NIST, người đứng đầu dự án, cho biết. Kết quả vừa được công bố trên Tạp chí Photonics Research.

Điểm yếu: Liên kết sợi quang với chip

Để giúp các chip tích hợp quang tử hoạt động trong những môi trường khắc nghiệt này, các nhà nghiên cứu đã vượt qua một thách thức tưởng chừng như khó khăn: gắn kết sợi quang học vào chip quang tử một cách đáng tin cậy. Các chất kết dính tiêu chuẩn hiện nay - keo polyme hữu cơ - thường bị nứt, thoát khí hoặc phân hủy khi tiếp xúc với nhiệt độ cực lạnh, bức xạ mạnh, chân không hoặc nhiệt độ cao. Một khi mối nối bị hỏng, chip sẽ không thể hoạt động được nữa.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học của NIST đã điều chỉnh một kỹ thuật ban đầu được NASA sử dụng để lắp ráp các hệ thống quang học lớn, siêu bền cho cả các hệ thống thiên văn đặt trên không gian và trên mặt đất. Phương pháp này, được gọi là liên kết xúc tác hydroxit (HCB), tạo ra một liên kết hóa học vô cơ, giống như thủy tinh giữa sợi quang và chip quang tử. Thay vì dựa vào keo, quy trình này sử dụng một lượng nhỏ dung dịch natri hydroxit để hợp nhất các bề mặt ở cấp độ phân tử, tạo thành một kết nối cứng chắc và ổn định.

Kiểm nghiệm phản ứng liên kết xúc tác hydroxit

Nhóm nghiên cứu NIST lần đầu tiên chứng minh rằng kỹ thuật HCB có thể đạt được sự căn chỉnh sợi quang chính xác và khả năng ghép nối ánh sáng hiệu quả mà các mạch quang tử yêu cầu, đồng thời vẫn tạo ra một gói sản phẩm bền chắc có khả năng chịu được môi trường khắc nghiệt. Để kiểm tra khả năng chịu đựng đó, các nhà nghiên cứu đã cho chip quang tử được đóng gói tiếp xúc với một loạt các điều kiện khắc nghiệt.

Ngay cả sau khi nhóm nghiên cứu làm lạnh cụm linh kiện đến nhiệt độ cực thấp, cho vật liệu trải qua những biến đổi nhiệt độ nhanh chóng, chiếu xạ bằng bức xạ ion hóa mạnh và đặt nó trong môi trường chân không cao, kết nối sợi quang liên kết bằng HCB vẫn còn nguyên vẹn. Điều này cho phép nhóm nghiên cứu xác minh rằng bản thân con chip vẫn hoạt động bình thường.

Mặc dù không thể thực hiện thử nghiệm nhiệt độ cao trực tiếp trên chip quang tử đã đóng gói do những hạn chế của các sợi quang thương mại hiện có, các nghiên cứu bổ sung do nhóm nghiên cứu thực hiện đã chỉ ra rằng bao bì quang tử dựa trên HCB vẫn ổn định về mặt cơ học ở nhiệt độ cao hơn nhiều so với khả năng chịu đựng của các chất kết dính thông thường. Nhìn chung, những kết quả này cho thấy một phương pháp đóng gói có khả năng phục hồi vượt trội trong phạm vi môi trường rộng đáng kể.

"Cách tiếp cận này tạo ra một liên kết bền chắc như chính sợi quang," Klimov nói. "Nó cho phép các mạch tích hợp quang tử đi đến những nơi mà trước đây chúng không thể đến được."

Mặc dù quy trình liên kết hiện tại cần vài ngày để hoàn thành, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng đây là vấn đề kỹ thuật chứ không phải là rào cản cơ bản. Với sự phát triển tập trung, các kỹ sư có thể rút ngắn đáng kể thời gian, giúp kỹ thuật này phù hợp cho sản xuất quy mô lớn.