Mở đầu
Kỹ thuật photon đang được quan tâm bởi tốc độ nhanh và dung lượng dữ liệu lớn của nó, và ngày càng trở nên quan trọng trong đời sống của chúng ta. Các công nghệ gần đây đã cho phép truyền dẫn dữ liệu quang tại tốc độ cực kỳ cao, cỡ Tbit/s, nhờ sử dụng sợi quang đơn mode (1). Tuy nhiên, dung lượng của hệ thống mạng quang vẫn bị hạn chế bởi tốc độ của các thiết bị điện tử, vì dữ liệu quang được biến đổi thành dữ liệu điện tử tại các nút định tuyến để xử lý tín hiệu. Để đạt được dung lượng mạng tối đa, cần phải xử lý tín hiệu toàn-quang cực nhanh; tuy nhiên, không phải lúc nào cũng dễ triển khai các thiết bị toàn-quang, bởi lẽ ánh sáng về cơ bản là tuân theo thuyết tương đối. Nói cách khác, ánh sáng là cực nhanh nhưng rất khó ngăn nó lại hoặc giam hãm nó trong một không gian hẹp, điều này làm cho các giải pháp photonic rất khó xử lý. Để khắc phục những khó khăn này, các nhà khoa học đã cố gắng phát triển các phương pháp để hãm ánh sáng một cách an toàn trong một không gian cực nhỏ.
Trong số các công nghệ khác nhau đã được nghiên cứu thì tinh thể photon (PhC-Photonic Crystal) (2) là một ứng viên đầy triển vọng do cấu trúc nhỏ gọn và thuộc tính hãm ánh sáng mạnh của nó. PhC có một kết cấu điện môi nhân tạo, trong đó chiết suất được điều chế tuần hoàn theo một thang độ bước sóng quang. Bằng cách loại suy với một dụng cụ điện tử (có sự hiện diện của một dải cấm trong các vật liệu bán dẫn), PhC có thể tạo ra một khe băng photon (photonic bandgap) mà các photon không được phép truyền lan qua. Nói một cách khái quát, nếu chúng ta bao vây một vật liệu nhỏ trong suốt bằng PhC thì chúng ta có thể giam hãm các photon trong một vùng rất nhỏ, bởi vì chúng không thể thoát ra khỏi miếng vật liệu đó.
Tấm PhC Silic hai chiều
Các PhC ba chiều chỉ là lý tưởng bởi vì chúng giam hãm ánh sáng theo tất cả các hướng nhưng rất khó chế tạo chúng. Chắc chắn rằng chúng sẽ là chủ chốt về mặt vận dụng các thuộc tính có một không hai của các PhC. Truy nhiên, gần đây người ta phát hiện ra là các PhC hai chiều còn cho phép chúng ta tận dụng nhiều thuộc tính khác nữa nếu chúng được thiết kế cẩn thận. Bài viết này giới thiệu về các hốc cộng hưởng nanô PhC hai chiều với một hệ số hãm (confinenment) siêu cao, và các thuộc tính phổ và thời gian của chúng. Hệ số hãm quang của hốc được hiểu là hệ số-chất lượng (Q) hay thời gian sống của photon, và hiện đã đạt được một Q-siêu cao là 1,2 triệu và một thời gian sống siêu dài là 1 ns.
Hốc nanô quang PhC với Q Siêu cao
Hình 1 (a) trình bày một kiểu hốc nanô quang PhC có Q cao được chế tạo trên tấm silic. PhC được chế tác bằng việc sử dụng cùng một kỹ thuật như kỹ thuật áp dụng cho việc gia công bán dẫn planar. Bước sóng hoạt động của dụng cụ này là 1,55 micro mét. Ánh sáng có thể được ghép với hốc nanô PhC qua ống dẫn sóng gồm một dãy bị khuyết (không có) các lỗ trống. Chỉ ánh sáng đầu vào nào cộng hưởng với hốc mới có thể truyền lan tới ống dẫn sóng đầu ra. Để đạt được một Q cao, vị trí và kích thước các lỗ đầu cuối của hốc cộng hưởng được thay đổi đôi chút, như trình bày trong Hình 1 (a). Hình 1 (b) trình bày một kiểu hốc nanô PhC khác thể hiện Q siêu cao. Dụng cụ này, mà được gọi là một hốc cộng hưởng nanô PhC có khuyết tật thẳng hàng (line-defect), điều chế theo độ rộng, định vị ánh sáng bởi một hố mode (mode gap) (3), (4), (5), mà đó là một cách tốt nhất để hãm ánh sáng. Thực vậy, Q cao nhất cho một hốc nanô PhC đã đạt được nhờ sử dụng việc hãm hố mode (6). Một hố mode đạt được nhờ điều chế độ rộng của khuyết tật thẳng hàng và thay đổi chế độ (mode) phát tại chỗ.
Hình 1: (a) Hình ảnh quét qua kính hiển vi điện tử của hốc nanô bốn điểm khuyết tật.
Các mảng lỗ hình lục giác được chế tác trên một tầm silic dày 200 nm. Đường
kính lỗ là 200 nm và hằng số lưới ( khoảng cách giữa các lỗ) là 400 nm.
(b) Hình ảnh quét qua kính hiển vi điện tử và sơ đồ khối của một hốc nanô PhC
khuyêt tật thẳng hàng, điều chế theo độ rộng.
Đo thời gian sống của photon trong hốc nanô PhC có Q siêu cao
Q của hốc cộng hưởng được tính theo các phương trình:
Q = lo / Dl (1)
Q = wot (2)
trong đó lo, Dl, w o và t tương ứng là bước sóng cộng hưởng của hốc, băng thông của phổ cộng hưởng, tần số góc trung tâm và thời gian sống của photon trong hốc cộng hưởng. Thời gian sống của photon là thời gian hãm trung bình của các photon trong hốc cộng hưởng. Có hai cách khác nhau để mô tả đặc trưng cho Q của hốc cộng hưởng: Đo độ rộng phổ cộng hưởng của hốc [Phương trình (1)], và đo thời gian sống của photon trong miền thời gian [Phương trình (2)]. Theo các cách đó, các giá trị Q của hốc nanô PhC đã được xác định bằng cách đo băng thông truyền dẫn. Mặt khác, do thời gian sống photon của hốc nanô PhC có khuyết tật thẳng hàng và được điều chế theo độ rộng hiện tại là cực lâu, cho nên có thể có được giá trị Q trực tiếp trong miền thời gian bằng cách đo thời gian sống của photon.
Hình 2(a) trình bày phổ truyền dẫn của một hốc nanô khuyết tật thẳng hàng được điều chế theo độ rộng, trong đó độ rộng truyền dẫn là cực hẹp: 1,3 pm. Theo đồ thị này, ta đạt được một Q rất cao là 1,2 triệu. Cần lưu ý rằng mấy năm trước đây, Q được trình diễn trong PhC chỉ cỡ vài ngàn. Điều đáng ngạc nhiên là giá trị Q đã tăng lên một cách quá nhanh như vậy.
Để đo thời gian sống của photon trong hốc cộng hưởng theo miền thời gian, sử dụng phương pháp “ring-down”, là phương pháp trực tiếp nhất để có được thời gian sống của photon. Trước hết, ta nạp cho hốc bằng các tác động ánh sáng laze có sóng liên tục, sau đó đột ngột tắt ánh sáng vào. Kết quả là các photon nào đã bị kẹt lại trong hốc sẽ bắt đầu lọt ra về phía ống dẫn sóng ra. Bằng việc quan sát đầu ra, có thể thu được thời gian sống của photon. Người ta đã thu được một giá trị thời gian sống rất dài là 1 ns từ độ dốc của tín hiệu phóng như được trình bày trong hình 2 (b). Q tương ứng hoàn toàn khớp với giá trị đạt được từ việc đo phổ.
Hình 2 (a) Phổ truyền dẫn từ một hốc nanô PhC khuyết tật thẳng hàng, được điều chế
theo độ rộng. (b) Phép đo ring-down. Đầu vào được tắt tại 0 ps và tín hiệu phóng
được quan sát được tại ống dẫn sóng đầu ra. Độ phân rã theo hàm mũ cố định
là 1,01 ns.
Độ trễ xung quang với hốc nanô PhC có Q siêu cao
Để khảo sát một khía cạnh khác của hệ thống hốc nanô PhC có Q siêu cao, tiến hành một thí nghiệm truyền dẫn xung - Hình 3 (a) trình bày cơ cấu thiết lập thí nghiệm, kết quả đo được trình bày trong Hình 3 (b), với độ trễ xung tối đa là 1,45 ns. Vận tốc nhóm tương ứng là 5,6 km/s, là trị số nhỏ nhất được trình diễn trong chất điện môi. Bằng việc kết nối các hốc Q cao trong tandem, độ trễ có thể tăng lên đáng kể, và một thiết bị như vậy được gọi là ống dẫn sóng quang của bộ cộng hưởng ghép (CROW- coupled resonator optical waveguide)7) . Vận tốc nhóm trình bày trong thí nghiệm này cần tương ứng với giá trị nhỏ nhất có thể đạt được trong CROW. Do một vận tốc nhỏ là then chốt nếu ta phải cấu trúc một bộ đệm quang tại một mật độ đóng gói cao, cho nên việc trình diễn này là một bước quan trọng hướng tới sự phát triển bộ đệm quang nhỏ trên một chip.
Hình 3 (a) Sơ đồ khối của thí nghiệm độ trễ xung. Thiết bị với hốc nanô PhC (trên) và
ống dẫn sóng tham chiếu (dưới). Độ trễ xung thu được nhờ đối chiếu các thời
gian truyền sóng của hai mẫu. Khoảng cách d giữa các đầu cuối ống dẫn sóng
là 8,4 mm. (b) Đường màu đỏ biểu thị xung ra từ hệ thống hốc nanô PhC ,và đồ
thị màu đen là đầu ra từ ống dẫn sóng tham chiếu.
Kết luận
Với việc hãm photon cực dài là 1 ns trong một hốc nanô PhC cực nhỏ, kích thước chỉ bằng 0,13 mm3 đã mở ra sự phát triển một mạch tích hợp toàn quang trên một chip. Mặc dù công nghệ này mới chỉ được trình diễn trong phòng thí nghiệm, song hy vọng rằng nó sẽ được mở rộng ra ngoài phòng thí nghiệm và trở thành chìa khoá để thực thi các thiết bị toàn quang cỡ nhỏ, chẳng hạn như các bộ đệm quang, các chuyển mạch và các bộ định tuyến trên một chip.
Việt Thanh
Tài liệu tham khảo
[1] A. Sano et al., 32nd European Conference and Exhibition on Optical Communication, Th4.1.1., Cannes, Sep. 24-28(2006). (Post-deadline)
[2] E. Yablonovitch, Phys. Rev. Lett. 58, 2059 (1987).
[3] T. Baba et al., IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 10, 484 (2004).
[4] M. Notomi et al., Opt. Express 12, 1551 (2004).
[5] B. S. Song et al., Nature Mat. 4, 207 (2005).
[6] T. Tanabe et al., Nature Photon. 1, 49 (2007).
[7] F. Xia et al., Nature Photon. 1, 65 (2007).