Công nghệ nanopositioning và kiểm soát trong tính toán quang học mở ra kỷ nguyên mới

Akhetonics, một công ty khởi nghiệp công nghệ tại Đức, đang tiên phong trong lĩnh vực điện toán hiệu năng cao bằng cách phát triển các thiết bị tính toán số hoàn toàn dựa trên quang học. Công ty tập trung vào thiết kế các mạch quang tích hợp (PICs) và tự động hóa thiết kế quang học nhằm hiện thực hóa bộ xử lý số quang học toàn phần mà họ gọi là bộ xử lý lý luận (RPU). Mục tiêu lớn của Akhetonics là thay đổi căn bản cách dữ liệu được xử lý, truyền và lưu trữ trong toàn bộ ngăn xếp công nghệ HPC, hướng đến các ưu điểm nổi bật như mở rộng băng thông, tiết kiệm năng lượng và giảm độ trễ truyền dữ liệu.

Tuy nhiên, việc chuyển đổi những nghiên cứu và thiết kế PIC giai đoạn đầu của Akhetonics thành các ứng dụng thực tế với quy mô lớn vẫn còn là một thách thức đáng kể. Một trong những yếu tố đẩy nhanh tiến trình này chính là sự hợp tác chặt chẽ liên ngành cùng đổi mới trong thiết kế hệ thống quang học và công nghệ kiểm soát chuyển động chính xác.

Một ví dụ điển hình về sự hợp tác hiệu quả đó là mối quan hệ giữa Akhetonics và SmarAct, một nhà sản xuất công nghệ Đức chuyên cung cấp các giải pháp nano và picometre cho việc định vị chính xác, đo lường và lắp ráp tự động. Trong khi Akhetonics theo đuổi mục tiêu xây dựng kiến trúc điện toán quang học toàn diện, SmarAct phát triển các công nghệ nền tảng giúp hiện thực hóa các thiết bị quang học thế hệ mới.

Khởi đầu từ cuộc gặp gỡ tại Hội nghị truyền thông quang học châu Âu (ECOC) năm 2022 tổ chức tại Basel, Thụy Sĩ, Akhetonics đã tìm kiếm một hệ thống thử nghiệm quang học đa năng để đánh giá các PIC tiên tiến của mình. Leonardo Del Bino, đồng sáng lập kiêm giám đốc công nghệ của Akhetonics, cho biết họ lựa chọn hợp tác với SmarAct để đồng phát triển một hệ thống kiểm thử mô-đun và nhỏ gọn theo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật khắt khe của họ, mang lại sự linh hoạt trong đánh giá và tối ưu hóa nhiều thiết kế PIC sáng tạo.

Trung tâm của hệ thống thử nghiệm mà Akhetonics xây dựng là hai bộ phận nanopositioning riêng biệt do SmarAct cung cấp, bao gồm nền tảng chip XY-Rz (vận hành trên ba trục chuyển động: dịch ngang theo X, Y và xoay quanh trục Z) và cơ cấu “pivot” Z-Rx-Ry (cho phép dịch chuyển dọc trục Z đồng thời xoay quanh trục X và Y) để điều khiển đầu dò quang học. Toàn bộ hệ thống còn được trang bị kính hiển vi kỹ thuật số hỗ trợ quan sát và căn chỉnh PIC hiệu quả.

Mỗi bộ nanopositioning sử dụng bộ định vị SmarAct tích hợp cảm biến quang học METIRIO® với độ phân giải 1 nm trên sáu trục chuyển động. Nền tảng XY-Rz có phạm vi dịch chuyển 49 mm trên trục X và Y, xoay 360° quanh trục Rz và độ lặp lại vị trí ±40 nm trên từng trục thẳng. Bộ “pivot” Z-Rx-Ry hỗ trợ dịch chuyển 31 mm theo chiều dọc, nghiêng ±5° quanh trục Ry, xoay ±45° quanh trục Rz và độ chính xác lặp lại ±40 nm trên trục Z.

Quy trình thử nghiệm quang học của Akhetonics tập trung trước tiên vào việc đo và tối thiểu hóa tổn thất chèn giữa các sợi quang và các dẫn sóng trên chip. Các phép đo điển hình bao gồm tổn thất ghép nối phụ thuộc bước sóng và phân cực, ví dụ khi sóng ánh sáng laser được ghép nối qua mảng sợi vào các bộ ghép rãnh trên chip hoặc ánh sáng truyền ngược từ dẫn sóng vào lại sợi quang.

Hệ thống cũng hỗ trợ đo lường điện quang với các đầu dò điện tử gắn trên chip, nhờ hai tháp dò XYZ riêng biệt cung cấp độ chính xác và khả năng căn chỉnh vị trí cao. Leonardo Del Bino lưu ý rằng các điểm tiếp xúc điện tử trên chip có kích thước khoảng 100 µm x 100 µm, trong khi độ chính xác và tính lặp lại vị trí cho các đầu dò phải cao hơn một bậc để đảm bảo hiệu quả kiểm nghiệm.

Trái lại, kiểm tra quang học yêu cầu độ chính xác rất cao vì chỉ lệch 1 µm giữa sợi quang và dẫn sóng đã có thể gây ra tổn thất ghép nối đáng kể. Do vậy, hệ thống cần đạt độ chính xác vị trí ở cấp chục nanomet hoặc tốt hơn.

Hệ thống thử nghiệm tùy chỉnh của Akhetonics được phát triển qua sự hợp tác liên tục giữa các nhóm kỹ thuật của hai công ty. Sau khi xác định các yêu cầu kỹ thuật, các bên trao đổi thông số qua bản vẽ 3D CAD để thống nhất thiết kế cuối cùng.

Max Trippel, quản lý phát triển kinh doanh ứng dụng quang học tại SmarAct, cho biết công ty đã cung cấp các bộ nanopositioning làm lõi chuyển động chính xác cho trạm thử nghiệm, trong khi Akhetonics tích hợp các mô-đun này vào môi trường thử nghiệm riêng bao gồm các thiết bị giữ sợi quang, dụng cụ đo quang và điện cũng như phần mềm điều khiển.

Phần mềm SmarAct Control and Process Environment (SCoPE) với giao diện Python giúp dễ dàng tích hợp các bộ nanopositioning vào quy trình thử nghiệm PIC của Akhetonics. Nền tảng này cho phép phát triển và cải tiến liên tục các quy trình tự động hóa, từ khâu căn chỉnh nhanh cho tới kiểm tra nhiều trục, đồng thời hỗ trợ mở rộng tích hợp các thiết bị bên ngoài.

SmarAct kỳ vọng SCoPE sẽ đồng hành cùng Akhetonics khi họ chuyển từ thử nghiệm trong phòng nghiên cứu sang sản xuất nhỏ lẻ, rồi tiến tới quy mô sản xuất hàng loạt. Đây là nền tảng linh hoạt, không ngừng được cập nhật các tính năng mới và plugin chuyên biệt nhằm hỗ trợ tối đa cho kiểm soát và lắp ráp linh kiện quang học.

Về tổng thể, mối quan hệ hợp tác giữa SmarAct và Akhetonics được dự báo sẽ phát triển bền vững lâu dài, khi sự phát triển công nghệ của Akhetonics giúp định hướng các sản phẩm tương lai của SmarAct. Như Max Trippel nhận định, sự thành công của khách hàng chính là thành công của họ, và sự hợp tác này mang lại tầm nhìn rõ ràng về những bước tiến công nghệ tiếp theo trong lĩnh vực tính toán quang học.

SmarAct Control and Process Environment (SCoPE) là nền tảng phần mềm có cấu trúc mở và mô-đun cho phép thiết kế quy trình tự động hóa trực quan bằng thao tác kéo-thả, hỗ trợ lập trình Python và tích hợp phần cứng. Các tính năng gồm:

Theo Physics World

Bài viết được biên tập với sự hỗ trợ của công cụ trí tuệ nhân tạo (AI), tổng hợp từ các nguồn tin dẫn bên dưới và đã qua kiểm duyệt của toà soạn Quang Minh Việt Nam.