Chip quang học cần một “van một chiều” cho photon: Laser annealing giúp tích hợp nó trực tiếp lên silicon

Laser trên chip quang học có một kẻ thù khá đơn giản: chính ánh sáng mà nó vừa phát ra. Một phần photon có thể phản xạ từ waveguide, coupler hoặc các giao diện phía sau rồi quay ngược về nguồn laser, làm tăng nhiễu và thậm chí khiến laser mất ổn định. Vì thế các hệ quang học thường cần một optical isolator — linh kiện cho ánh sáng đi theo một chiều nhưng chặn phần phản xạ quay lại.

Khó khăn là isolator truyền thống không dễ “nhét” vào quy trình silicon photonics. Vật liệu magneto-optical dùng cho isolator phải được kết tinh ở nhiệt độ cao, trong khi nung cả chip tới hơn 600°C có thể làm hỏng điện cực, dây kim loại và các linh kiện đã chế tạo sẵn.

Kyocera và Research Institute of Electrical Communication tại Tohoku University vừa trình diễn một cách xử lý khác: thay vì nung toàn bộ wafer hoặc chip, họ dùng laser annealing để chỉ làm nóng đúng vùng chứa vật liệu magneto-optical. Thiết bị hoàn chỉnh đạt isolation ratio 13,6 dB ở bước sóng 1540 nm, tương ứng giảm khoảng 95% ánh sáng phản xạ theo công bố của nhóm.

Nghiên cứu được đăng trên IEEE Access ngày 2/9/2026. Điểm mới nằm ở quy trình tích hợp: đây không phải laser “khắc” isolator trực tiếp vào silicon theo nghĩa gia công vật liệu bằng tia laser. Phần garnet vẫn phải được tạo và đặt vào cấu trúc waveguide trước; laser được dùng như một nguồn nhiệt cực kỳ cục bộ để biến lớp vật liệu đó sang trạng thái tinh thể cần thiết.

Vì sao chip quang học cần một “van một chiều”?

Trong mạch điện, diode cho dòng điện ưu tiên đi theo một hướng. Với ánh sáng, optical isolator thực hiện vai trò tương tự ở mức chức năng: tín hiệu từ laser được phép truyền về phía trước, còn ánh sáng phản xạ theo chiều ngược bị suy giảm mạnh.

Điều này đặc biệt quan trọng khi laser được đặt gần các mạch photonic tích hợp. Những phản xạ rất nhỏ từ grating coupler, cạnh waveguide hay giao diện với fiber cũng có thể quay trở lại cavity của laser. Optical feedback có thể làm dịch tần số, tăng phase noise hoặc trong trường hợp nặng hơn đưa laser vào trạng thái dao động hỗn loạn.

Ở các hệ quang rời, người ta có thể đặt một isolator riêng giữa laser và phần còn lại của hệ thống. Nhưng silicon photonics đang đi theo hướng tích hợp ngày càng dày đặc, đặc biệt với co-packaged optics, nơi chip điện tử và quang học được đặt rất gần nhau để giảm chiều dài kết nối và điện năng. Một linh kiện isolator cồng kềnh ngoài chip trở thành điểm nghẽn về kích thước, lắp ráp và chi phí.

Vật liệu làm isolator cần nóng hơn phần còn lại của chip chịu được

Thiết bị của nhóm Kyocera–Tohoku sử dụng cerium-substituted yttrium iron garnet, viết tắt Ce:YIG. Đây là vật liệu magneto-optical: khi được đặt trong từ trường, nó có thể làm trạng thái pha hoặc phân cực của ánh sáng thay đổi theo cách phụ thuộc hướng truyền.

Vấn đề là Ce:YIG cần được kết tinh đúng cấu trúc để có tính magneto-optical đủ mạnh. Quy trình annealing bằng lò thông thường có thể yêu cầu nhiệt độ khoảng 600°C hoặc cao hơn. Paper cho biết cách đó có nguy cơ làm suy giảm silicon waveguide và các điện cực kim loại đã có sẵn trên chip.

Nhóm nghiên cứu vì thế phủ Ce:YIG bằng ion-beam sputtering vào các trench được mở trên lớp cladding, ngay phía trên silicon waveguide. Sau đó họ dùng diode laser bước sóng 915 nm, tạo một vùng chiếu hình vuông khoảng 700 × 700 µm, chỉ bao phủ phần Mach–Zehnder interferometer cần xử lý.

Trong thí nghiệm, vùng này được giữ khoảng 730°C trong 1.900 giây dưới chân không. Nhiệt độ nghe còn cao hơn cả annealing thông thường, nhưng khác biệt nằm ở diện tích bị nung: thay vì toàn bộ chip, chỉ một vùng cục bộ được đưa lên nhiệt độ kết tinh. Các pad nhôm đặt gần đó vẫn không bị nóng chảy hay bong ra, theo mô tả trong paper.

Isolator dùng giao thoa để cho chiều đi và chiều về nhận hai kết quả khác nhau

Thiết bị không đơn giản là một miếng vật liệu từ tính đặt ngang waveguide. Nhóm xây nó dưới dạng một asymmetric Mach–Zehnder interferometer (AMZI).

Ánh sáng đầu vào được chia thành hai nhánh. Hai nhánh có chiều dài hơi khác nhau, đồng thời đều đi qua vùng magneto-optical. Khi hai phần ánh sáng gặp lại nhau, chúng giao thoa. Thiết kế được chọn sao cho pha tích lũy theo chiều thuận và chiều ngược không giống nhau vì Ce:YIG tạo ra một thành phần phase shift không thuận nghịch.

Kết quả là ở một hướng, hai sóng có thể tái hợp tương đối thuận lợi; ở hướng ngược lại, chúng triệt tiêu nhau mạnh hơn. Đó là cơ chế biến tính magneto-optical thành hành vi “một chiều” ở mức hệ thống.

Trong phép đo với ánh sáng phân cực TM từ 1520 đến 1610 nm, thiết bị đạt isolation ratio cao nhất 13,6 dB tại 1540 nm. Paper cũng suy ra Faraday rotation khoảng 0,092°/µm. Ảnh hiển vi điện tử cho thấy vùng Ce:YIG được chiếu laser đã kết tinh trên silicon waveguide, với một lớp biên khoảng 10 nm tại giao diện.

95% phản xạ bị chặn, nhưng forward loss hiện vẫn quá lớn

Con số 13,6 dB là phần dễ gây ấn tượng nhất, nhưng nó không phải thông số duy nhất quyết định một isolator có hữu dụng hay không. Linh kiện lý tưởng phải chặn ánh sáng ngược trong khi để phần lớn tín hiệu thuận đi qua.

Prototype hiện tại có insertion loss 20,4 dB và propagation loss 9,5 dB. Đây là mức tổn hao rất lớn đối với một linh kiện muốn đặt trong optical link thực tế. Nói cách khác, thiết bị đã chứng minh được tính không thuận nghịch và cách tích hợp mới, nhưng chưa đạt bài toán “chặn chiều ngược mà gần như không động vào chiều thuận”.

Các tác giả xác định cấu trúc trench, lớp magneto-optical và vùng giao diện giữa Ce:YIG với silicon là những nơi cần tiếp tục tối ưu để giảm loss. Kyocera và Tohoku University cũng nói rõ bước tiếp theo là hạ tổn hao, nâng hiệu quả và cải thiện năng suất trước khi nghĩ tới sản xuất hàng loạt.

Điểm mới nằm ở thermal budget, không phải một isolator đã sẵn sàng cho data center

Silicon photonics gặp một bài toán fabrication khó: nhiều vật liệu chức năng tốt lại đòi hỏi quy trình nhiệt mà chip đã hoàn thiện không chịu được. Laser annealing là một cách tách hai yêu cầu đó. Vật liệu cần 700°C có thể được đưa lên 700°C trong một vùng rất nhỏ, trong khi phần còn lại của chip không phải trải qua cùng thermal budget.

Điều này có ý nghĩa rộng hơn riêng optical isolator. Nếu quy trình đủ đồng đều và nhanh, cùng nguyên tắc có thể giúp tích hợp các thin-film chức năng cần annealing sau khi phần silicon và kim loại đã được chế tạo. Paper mô tả phương pháp như một hướng có tiềm năng cho high-throughput manufacturing, nhưng hiện mới là bằng chứng ở cấp thiết bị.

Cũng cần phân biệt tuyên bố “world's first” trong thông cáo với một kết luận độc lập của toàn ngành. Kyocera giới hạn tuyên bố đó cho công nghệ tích hợp optical isolator lên silicon photonics bằng laser annealing, dựa trên khảo sát của chính công ty vào tháng 7/2026. Trong khi đó, nhiều hướng isolator on-chip khác đã tồn tại, từ magneto-optical integration bằng quy trình khác tới electro-optic modulation hoặc thậm chí thiết kế laser có khả năng chịu phản xạ tốt hơn.

Vì vậy, bước tiến ở đây không phải việc optical isolator lần đầu xuất hiện trên chip. Nó là cách đưa một vật liệu vốn cần xử lý nhiệt rất cao vào một silicon photonic circuit đã có sẵn mà không nung cả hệ thống. Nếu nhóm giảm được insertion loss xuống mức phù hợp với optical link thực tế và chứng minh quy trình ổn định trên wafer lớn, “van một chiều” cho photon mới có cơ hội trở thành linh kiện tiêu chuẩn trong các chip quang học tích hợp dày đặc.

Nguồn: IEEE Access – Monolithic Magneto-Optical Mach-Zehnder Isolator Using Laser-Annealed Iron Garnet on a Silicon Waveguide; Kyocera; Tohoku University.