Đi ngược lại với sự hiểu biết thông thường, các nhà khoa học đã phát hiện ra một cơ chế ghép nối mới liên quan đến các chế độ rò rỉ mà trước đây được coi là không phù hợp để tích hợp mật độ cao của các mạch quang tử. Khám phá đáng kinh ngạc này mở đường cho sự tích hợp quang tử mật độ cao, thay đổi tiềm năng và khả năng mở rộng của chip quang tử trong các lĩnh vực như điện toán quang, truyền thông lượng tử, phát hiện và đo phạm vi ánh sáng (LiDAR), đo lường quang học và cảm biến sinh hóa.
Trong số gần đây của tạp chí Khoa học & Ứng dụng Ánh sáng, Sangsik Kim, phó giáo sư tại Khoa Kỹ thuật Điện tại Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) và các sinh viên của ông tại Đại học Texas Tech đã chứng minh rằng sóng rò rỉ dị hướng có thể đạt được nhiễu xuyên âm bằng 0 giữa các ống dẫn sóng giống hệt nhau có khoảng cách gần nhau bằng cách sử dụng siêu vật liệu cách tử bước sóng dưới (SWG). Khám phá phản trực giác này làm tăng đáng kể độ dài khớp nối của các chế độ từ trường ngang (TM), vốn là một thách thức do độ giam cầm thấp của chúng.
Nghiên cứu này dựa trên công trình trước đây của họ về việc sử dụng siêu vật liệu SWG để giảm nhiễu xuyên âm quang học, bao gồm việc kiểm soát độ sâu trên da của sóng bay hơi và sự ghép nối đặc biệt trong các chế độ sóng dẫn hướng dị hướng. Gần đây, SWG đã đạt được tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực quang tử học, cho phép tạo ra nhiều thành phần PIC hiệu suất cao. Tuy nhiên, mật độ tích hợp của chế độ TM vẫn phải đối mặt với những thách thức và nhiễu xuyên âm của nó gấp khoảng 100 lần so với chế độ điện bên (TE), cản trở việc tích hợp chip mật độ cao.
"Nhóm nghiên cứu của chúng tôi đã khám phá SWG để tích hợp quang tử dày đặc và đạt được những cải tiến đáng kể. Tuy nhiên, các phương pháp trước đây chỉ giới hạn ở phân cực TE. Trong chip quang tử, có một TM phân cực trực giao khác, có thể tăng gấp đôi công suất chip và đôi khi phổ biến hơn TE, ví dụ như trong cảm biến trường gradient. "TM khó tích hợp mật độ dày đặc hơn TE vì tỷ lệ khung hình ống dẫn sóng của nó thường thấp hơn và ít hạn chế hơn", Kim giải thích: "
Lúc đầu, nhóm nghiên cứu cho rằng không thể giảm nhiễu xuyên âm bằng cách sử dụng SWG vì họ mong đợi các chế độ rò rỉ sẽ tăng cường khả năng ghép nối giữa các ống dẫn sóng. Tuy nhiên, họ tập trung vào khả năng xảy ra nhiễu loạn dị hướng với các dạng rò rỉ và cho rằng có thể đạt được sự triệt tiêu chéo.
Bằng cách thực hiện phân tích chế độ kết hợp các đặc tính phương thức của các chế độ SWG bị rò rỉ, họ đã phát hiện ra các nhiễu loạn dị hướng độc đáo với các chế độ rò rỉ tương tự, cho phép không có nhiễu xuyên âm giữa các ống dẫn sóng SWG giống hệt nhau có khoảng cách gần nhau. Bằng cách sử dụng mô phỏng ranh giới Floquet, họ đã thiết kế một ống dẫn sóng SWG khả thi trên nền tảng silicon trên chất cách điện (SOI) tiêu chuẩn của ngành. So với ống dẫn sóng dải, hiệu ứng triệt tiêu nhiễu xuyên âm của nó rất đáng kể và độ dài khớp nối tăng hơn hai bậc độ lớn.
Đột phá này cũng làm giảm đáng kể mức độ tiếng ồn trong PIC, với những tác động tiềm tàng đối với truyền thông và điện toán lượng tử, đo lường quang học và cảm biến sinh hóa. Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh thêm ý nghĩa rộng lớn của công việc của họ, lưu ý rằng cơ chế ghép nối mới này có thể được mở rộng sang các nền tảng quang tử tích hợp khác và phạm vi bước sóng, bao gồm cả dải nhìn thấy, hồng ngoại trung bình và terahertz ngoài các dải tần viễn thông.
Cơ chế ghép nối tuyệt vời này mở rộng tiềm năng tích hợp quang tử dày đặc, phá vỡ các ý tưởng truyền thống và thúc đẩy lĩnh vực này. Khi nghiên cứu tiếp tục, ngành công nghiệp quang tử có thể sẽ hướng tới các công nghệ mạch tích hợp dày đặc hơn, ít tiếng ồn hơn và hiệu quả hơn.