MỸ – Ánh sáng đóng vai trò quan trọng trong thế giới hiện đại, hỗ trợ mọi loại hình công nghệ thông tin từ tivi, vệ tinh cho đến hệ thống cáp quang dẫn truyền internet xuyên đại dương. Các nhà vật lý tại đại học Stanford (Stanford university) đã tìm ra cách tối ưu hóa hiệu suất của ánh sáng thông qua một bộ khuếch đại quang học (optical amplifier) (*) tiêu thụ ít năng lượng nhưng vẫn duy trì được băng thông tối đa, tất cả được tích hợp trên một thiết bị có kích thước nhỏ chỉ bằng đầu ngón tay.
(*) Bộ khuếch đại quang học: là một thiết bị giúp tăng cường độ của tín hiệu ánh sáng mà không cần phải chuyển nó sang tín hiệu điện.

Cận cảnh một chip khuếch đại quang học. Ánh sáng laser đỏ chiếu ra từ sợi cáp quang bên trái để hỗ trợ việc căn chỉnh sợi quang với chip.

Tương tự như các bộ khuếch đại âm thanh, bộ khuếch đại quang học tiếp nhận tín hiệu ánh sáng và tăng cường cường độ của chúng. Hiện nay, các bộ khuếch đại quang học kích thước nhỏ thường cần nguồn năng lượng rất lớn để vận hành. Bộ khuếch đại mới này, được mô tả chi tiết trên tạp chí Nature, đã giải quyết được vấn đề trên bằng phương pháp tái tạo năng lượng tiêu thụ một cách hiệu quả.

Ông Amir Safavi-Naeini, tác giả chính của nghiên cứu và là Phó Giáo sư vật lý tại trường nhân văn và khoa học thuộc đại học Stanford, chia sẻ: “Nhóm nghiên cứu đã chứng minh được một bộ khuếch đại quang học công suất thấp, linh hoạt, có khả năng hoạt động trên toàn dải quang phổ và đủ hiệu quả để tích hợp trực tiếp trên chip. Điều này đồng nghĩa với việc có thể xây dựng những hệ thống quang học phức tạp hơn nhiều so với trước đây.”

Thiết bị này đạt mức khuếch đại gần 100 lần (tức khả năng gia tăng cường độ tín hiệu ánh sáng gần 100 lần) trong khi chỉ tiêu thụ vài trăm milliwatt điện năng, một con số rất nhỏ so với mức năng lượng cần thiết của các bộ khuếch đại cùng kích cỡ hiện nay. Nhờ hiệu suất vượt trội kết hợp với kích thước nhỏ gọn, bộ khuếch đại này có thể vận hành bằng pin và ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị như máy tính xách tay và điện thoại thông minh.

Ít tiêu thụ năng lượng và giảm thiểu tiếng ồn
Tương tự như các thiết bị khuếch đại âm thanh, bộ khuếch đại quang học thường có xu hướng tạo ra các nhiễu tạp (noise) (*) không mong muốn khi tăng cường tín hiệu. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng thiết bị này hạn chế tiếng nhiễu tạp ở mức thấp nhất. Bên cạnh đó, nó còn sở hữu băng thông rộng hơn so với các bộ khuếch đại hiện nay, đồng nghĩa với việc hỗ trợ một dải quang phổ lớn hơn. Những đặc tính này cho thấy thiết bị có khả năng truyền tải dữ liệu cao hơn với mức độ nhiễu thấp hơn.
(*) Noise: những “tiếng ồn” hoặc “nhiễu” không mong muốn. Trong kỹ thuật, “noise” không chỉ là âm thanh ồn ào mà là những tín hiệu rác làm giảm chất lượng dữ liệu.

Loại bộ khuếch đại quang học này vận hành nhờ năng lượng tích trữ trong một chùm sáng đóng vai trò như một máy bơm, và hiệu suất của nó phụ thuộc trực tiếp vào cường độ của chùm sáng đó.

Ông Devin Dean, đồng tác giả của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh tiến sĩ tại phòng thí nghiệm của Giáo sư Safavi-Naeini, cho biết: “Bằng cách tái sử dụng năng lượng từ chùm sáng bơm cung cấp cho bộ khuếch đại, nhóm nghiên cứu đã giúp thiết bị hoạt động hiệu quả hơn mà không làm ảnh hưởng đến các đặc tính kỹ thuật khác.”

Theo ông Dean, nhóm nghiên cứu đã đạt được thành tựu này bằng cách sử dụng thiết kế cộng hưởng, một “thủ thuật tái chế năng lượng” vốn đã được áp dụng trong công nghệ laser. Phương pháp này bao gồm việc phản xạ ánh sáng quay trở lại chính nó để làm tăng cường độ, tương tự như hiện tượng ánh sáng bị giữ giữa hai tấm gương đối diện nhau.

Trong bộ khuếch đại đặc biệt này, chùm sáng bơm được tạo ra bên trong một hốc cộng hưởng, nó di chuyển theo một vòng lặp tròn tương tự như đường chạy tiêu chuẩn và tích tụ dần để đạt cường độ cao hơn, từ đó có thể tăng cường chùm sáng mục tiêu một cách hiệu quả hơn. Thiết kế này cung cấp cường độ lớn hơn với công suất đầu vào thấp hơn, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.

Nhờ kích thước nhỏ gọn và yêu cầu năng lượng thấp, bộ khuếch đại quang học này có thể vận hành bằng pin, và có thể được ứng dụng trong các thiết bị nhỏ như điện thoại thông minh.

Ông Dean cho biết: “Khi thực hiện được điều đó, các khả năng ứng dụng sẽ trở nên vô cùng rộng. Vì chúng có kích thước nhỏ, khách hàng có thể sản xuất hàng loạt và vận hành chúng bằng pin. Chúng có tiềm năng được sử dụng trong truyền thông dữ liệu, cảm biến sinh học, tạo ra các nguồn sáng mới hoặc hàng loạt các ứng dụng khác.”

Nguồn ảnh: Jim Gensheimer, Đại học Stanford.

Để xem các tin bài khác về “Khuếch đại quang học”, hãy nhấn vào đây.

 

Nguồn: Electronics Online