Chip quang học thường phải xếp thêm tầng: Thiết kế mới để 11 nút làm công việc của ít nhất 100 tầng MZI

Muốn một mạch quang học tạo ra phổ tín hiệu ngày càng phức tạp, cách quen thuộc là nối thêm nhiều phần tử quang học theo chuỗi: interferometer, resonator hoặc filter. Vấn đề là độ phức tạp của tín hiệu thường chỉ tăng gần tuyến tính theo số tầng, trong khi diện tích, suy hao quang học và công sức hiệu chuẩn tiếp tục phình ra.

Một nhóm nghiên cứu tại Peking University vừa trình diễn một cách khác. Thay vì buộc ánh sáng đi qua từng linh kiện một lần rồi tiến về phía trước, họ xây dựng một chuỗi các nút có khả năng phản xạ một phần, khiến ánh sáng có thể đi tới, quay lại và giao thoa qua nhiều đường truyền khác nhau trong cùng một cấu trúc. Trong thí nghiệm, một waveguide với 11 nút phản xạ đạt độ phức tạp phổ tương đương ít nhất 100 tầng Mach–Zehnder interferometer (MZI) mắc nối tiếp.

Kết quả được công bố trên Nature Communications ngày 11/8/2026 trong paper “Hyper-spectral photonic integrated circuits based on recursive inverse design”. Đây là một chip quang tử đã được chế tạo và đo thực nghiệm, không chỉ là mô phỏng. Tuy vậy, con số “11 thay cho hơn 100” cần được hiểu đúng: nhóm nghiên cứu đang so sánh độ phức tạp phổ của kiến trúc mới với một chuỗi MZI truyền thống, chứ không khẳng định 11 phần tử có thể thay mọi chức năng của 100 linh kiện quang học bất kỳ.

Vì sao chip quang học thường phải xếp nhiều tầng?

Trong photonic computing, sensing và xử lý tín hiệu, một đặc tính quan trọng là mức độ phong phú của đáp ứng phổ. Nói đơn giản, mạch càng tạo được nhiều đặc trưng phổ độc lập thì càng có khả năng phân biệt nhiều kênh tín hiệu, xử lý nhiều thông tin song song hoặc tái dựng các chi tiết phổ nhỏ hơn.

Với nhiều kiến trúc hiện nay, cách tăng độ phức tạp là nối thêm các khối như Mach–Zehnder interferometer, ring resonator hay Fabry–Pérot filter. Mỗi phần tử bổ sung thêm một số đường giao thoa mới, nhưng tổng lợi ích tăng chủ yếu theo số linh kiện. Khi số tầng lớn, chip phải trả giá bằng diện tích, suy hao, sai số chế tạo và khối lượng hiệu chuẩn.

Nhóm Peking University gọi đây là giới hạn của kiểu mở rộng “cascade”: muốn nhiều đặc trưng hơn, phải tiếp tục xếp thêm phần tử.

11 nút nhưng ánh sáng có nhiều đường để đi

Kiến trúc mới, được nhóm gọi là hyper-spectral photonic integrated circuit (HS-PIC), thay đổi cách ánh sáng di chuyển trong mạch. Mỗi nút không chỉ cho ánh sáng truyền thẳng mà còn phản xạ một phần tín hiệu trở lại.

Điểm khác biệt này tạo ra hai loại giao thoa cùng lúc: giao thoa của các thành phần truyền về phía trước và giao thoa của các thành phần bị phản xạ. Ánh sáng có thể quay lại qua những đoạn waveguide đã đi qua, gặp các nút cũ lần nữa và hình thành nhiều đường trễ quang học khác nhau.

Vì vậy, một nút vật lý không chỉ đóng góp một lần vào đáp ứng cuối cùng. Cùng một nhóm nút có thể tham gia vào nhiều đường truyền, khiến số cấu hình giao thoa tăng nhanh hơn số phần tử. Paper mô tả sự tăng này là superlinear complexity growth.

Trong thiết kế thử nghiệm, chuỗi 11 nút đạt độ phức tạp khoảng 9,75 nm^-1. Theo so sánh của nhóm tác giả, để đạt mức tương đương với kiến trúc MZI mắc nối tiếp sẽ cần ít nhất 100 tầng. Đây chính là nguồn gốc của so sánh “11 nút làm công việc của hơn 100 tầng”.

Thiết kế được tìm bằng thuật toán đệ quy, không phải vẽ thủ công

Tạo một mạng có nhiều đường phản xạ như vậy dẫn tới một vấn đề khác: không gian thiết kế trở nên quá lớn. Nếu cố tối ưu toàn bộ cấu trúc bằng mô phỏng điện từ toàn sóng, thời gian tính toán có thể vượt khỏi mức thực tế.

Nhóm nghiên cứu giải quyết bằng một quy trình gọi là recursive inverse design (RID). Thay vì tối ưu toàn bộ chip trong một bước, thuật toán bắt đầu với cấu trúc đơn giản rồi lần lượt chèn thêm từng nút phản xạ. Ở mỗi vòng, nó tối ưu vị trí nút, hệ số ghép và chiều dài các đoạn waveguide lân cận; khi độ phức tạp mục tiêu đã đạt, quá trình dừng.

Số nút vì thế không phải tham số mà người thiết kế chọn trước. Nó trở thành kết quả của quá trình tối ưu. Trong loạt thiết kế mà nhóm báo cáo, các mục tiêu độ phức tạp cao dần dẫn tới những mạch có 3, 7, 11 và 16 nút.

Theo thông tin từ School of Electronics, Peking University, một bài toán inverse design toàn sóng mà cách thông thường có thể cần thời gian tính toán ở quy mô nhiều năm đã được quy trình đệ quy hoàn thành trong khoảng 25 giờ. Con số này phản ánh thời gian thiết kế trong cấu hình nghiên cứu cụ thể, không phải tốc độ vận hành của chip sau khi chế tạo.

Từ kiến trúc mới tới một quang phổ kế trên chip

Nhóm nghiên cứu không dừng ở việc đo độ phức tạp của một waveguide. Họ chế tạo một mảng HS-PIC trên wafer silicon nitride 4 inch và dùng nó làm quang phổ kế tính toán.

Hệ thống có 59.049 trạng thái tuning có thể truy cập và hỗ trợ bốn dải hoạt động trong khoảng 780–2.000 nm. Ở chế độ thông thường với 1.024 kênh, một lần quét mất khoảng một giây. Trong các phép thử tái dựng phổ, thiết bị phân biệt được hai đỉnh cách nhau chỉ 0,9 picomet và duy trì phép đo trên vùng băng thông tổng cộng khoảng 800 nm.

Điều đó quan trọng vì quang phổ kế tích hợp thường gặp sự đánh đổi giữa kích thước, độ phân giải và bandwidth. Một cấu trúc nhỏ có thể dễ tích hợp nhưng không tạo đủ các đáp ứng quang học độc lập để phân biệt những chi tiết phổ rất sát nhau. HS-PIC cố gắng nới giới hạn này bằng cách tạo nhiều độ phức tạp hơn từ cùng một số phần tử vật lý.

Nhóm cũng dùng hệ thống để phân tích tín hiệu microwave được mã hóa trên sóng mang quang học. Trong các thử nghiệm với nhiều loại tín hiệu, paper báo cáo độ phân giải tần số vô tuyến 125 MHz và sai lệch tần số trung bình 157 MHz. Đây là lý do các tác giả cho rằng kiến trúc có thể kết nối hai bài toán vốn thường được xử lý riêng: phân tích phổ quang và phổ radio-frequency.

Điểm mới là kiến trúc, không phải “chip nhỏ hơn 10 lần”

So sánh 11 nút với ít nhất 100 tầng MZI dễ dẫn tới một kết luận quá mạnh rằng chip mới nhỏ hơn hoặc rẻ hơn hơn 10 lần. Paper không chứng minh điều đó ở cấp sản phẩm hoàn chỉnh. Diện tích thực tế còn phụ thuộc chiều dài waveguide, mạch tuning, detector, coupling, packaging và electronics điều khiển.

Điều được chứng minh trực tiếp là hiệu quả sử dụng cấu trúc quang học: với số nút nhỏ hơn nhiều, HS-PIC tạo được độ phức tạp phổ mà kiến trúc MZI mắc nối tiếp cần số tầng lớn hơn đáng kể. Ngoài ra, thiết bị đã được chế tạo và dùng để tái dựng phổ, nên đây không chỉ là một lợi thế trên mô hình toán.

Những bước tiếp theo sẽ nằm ở tính ổn định, khả năng sản xuất lặp lại và tích hợp hệ thống. Quang phổ kế trong paper vẫn dựa trên calibration và thuật toán tái dựng tín hiệu; hiệu năng khi đóng gói, hoạt động lâu dài hoặc sản xuất số lượng lớn chưa được chứng minh. Nhưng nếu kiến trúc phản xạ này giữ được lợi thế khi scale, nó cho thấy một hướng khá khác để mở rộng chip quang học: thay vì tiếp tục thêm phần tử, thiết kế lại cách ánh sáng tái sử dụng chính những phần tử đã có.

Nguồn chính: Nature Communications; thông tin và hình ảnh từ Peking University School of Electronics.