Bộ khuếch đại quang học mới cho phép truyền dữ liệu nhanh gấp 10 lần

Các nhà nghiên cứu Thụy Điển vừa phát triển thành công bộ khuếch đại quang học với băng thông vượt trội, mở ra tiềm năng cách mạng cho ngành truyền thông và y học.

Bộ khuếch đại quang học là gì?

Bộ khuếch đại quang học (Optical Amplifier) là thiết bị dùng để tăng cường trực tiếp cường độ của tín hiệu ánh sáng mà không cần chuyển đổi sang dạng điện. Theo Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), bộ khuếch đại quang học hoạt động dựa trên nguyên lý kích thích phát xạ, cho phép ánh sáng đi qua các vật liệu đặc biệt được thiết kế để tăng cường năng lượng của tín hiệu quang.

Khác với bộ lặp quang học truyền thống phải chuyển đổi tín hiệu quang thành điện rồi khuếch đại và chuyển lại thành quang, bộ khuếch đại quang học xử lý trực tiếp tín hiệu ánh sáng, giúp giảm độ trễ và tăng hiệu suất đường truyền, theo nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Photonics.

Nanomet (nm) là đơn vị đo chiều dài trong hệ mét, bằng một phần tỷ của mét (10^-9 mét). Theo Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), ánh sáng khả kiến có bước sóng từ khoảng 400 đến 700 nanomet, trong khi ánh sáng hồng ngoại gần có bước sóng từ 700 đến 2.500 nanomet. Băng thông 300 nanomet đồng nghĩa với việc bộ khuếch đại có thể xử lý dải bước sóng ánh sáng rộng gấp 10 lần so với các bộ khuếch đại hiện tại.

Với kích thước chỉ vài cm, bộ khuếch đại có thể xử lý lượng dữ liệu lớn hơn mỗi giây. Ảnh: Đại học Công nghệ Chalmers

Đột phá trong băng thông khuếch đại

Một nhóm nghiên cứu từ Đại học Công nghệ Chalmers đã phát triển bộ khuếch đại quang học có khả năng tăng tốc độ truyền dữ liệu gấp 10 lần so với các hệ thống cáp quang hiện tại. Nghiên cứu này vừa được công bố trên tạp chí Nature.

"Các bộ khuếch đại hiện được sử dụng trong hệ thống truyền thông quang học có băng thông khoảng 30 nanomet," Giáo sư Peter Andrekson, chuyên gia về quang tử học tại Đại học Chalmers và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết. "Bộ khuếch đại của chúng tôi có băng thông lên tới 300 nanomet, cho phép truyền dữ liệu nhanh gấp mười lần so với các hệ thống hiện có."

Trong hệ thống truyền thông quang học, bộ khuếch đại đóng vai trò thiết yếu để đảm bảo thông tin duy trì chất lượng cao và không bị ảnh hưởng bởi nhiễu. Dung lượng truyền dữ liệu phụ thuộc lớn vào băng thông của bộ khuếch đại - tức là dải bước sóng ánh sáng mà thiết bị có thể xử lý.

Thiết kế và vật liệu tiên tiến

Bộ khuếch đại mới được chế tạo từ silicon nitride, với thiết kế gồm nhiều ống dẫn sóng hình xoắn ốc nhỏ được kết nối với nhau. Cấu trúc này cho phép dẫn truyền ánh sáng hiệu quả với mức tổn hao tối thiểu.

Silicon nitride là vật liệu bán dẫn có độ trong suốt cao và ít hấp thụ ánh sáng. Theo nghiên cứu đăng trên Journal of Lightwave Technology, silicon nitride đang được xem là vật liệu lý tưởng cho các ứng dụng quang học tích hợp nhờ khả năng chịu nhiệt tốt, độ ổn định cao và khả năng tương thích với quy trình sản xuất vi điện tử hiện đại.

Theo GS Andrekson, ngoài việc tăng băng thông gấp mười lần, cải tiến chính của bộ khuếch đại này là khả năng giảm nhiễu hiệu quả hơn bất kỳ loại bộ khuếch đại nào khác hiện có.

Điểm đáng chú ý là bộ khuếch đại đã được thu nhỏ để vừa trên một con chip chỉ vài centimet, phù hợp cho việc tích hợp vào các hệ thống hiện đại.

"Việc chế tạo bộ khuếch đại trên các con chip nhỏ không phải là khái niệm mới, nhưng đây là lần đầu tiên đạt được băng thông lớn như vậy," GS Andrekson nhấn mạnh.

Cơ chế hoạt động tiên tiến

Nghiên cứu trình bày phương pháp chế tạo các ống dẫn sóng phi tuyến với khả năng hoạt động ở chế độ đơn mode đồng thời và phân tán dị thường. Những đặc tính này cho phép đạt được hoạt động siêu băng thông rộng và hiệu ứng trộn bốn sóng hiệu suất cao, một quá trình quan trọng trong việc khuếch đại tín hiệu quang học.

Theo tạp chí Optical Society of America (OSA), chế độ đơn mode là trạng thái trong đó ánh sáng di chuyển theo một đường dẫn duy nhất trong ống dẫn sóng, giúp tránh hiện tượng tán xạ và giảm thiểu tổn hao tín hiệu. Phân tán dị thường (anomalous dispersion) là hiện tượng vật lý trong đó các thành phần có tần số cao (bước sóng ngắn) của xung ánh sáng di chuyển nhanh hơn các thành phần có tần số thấp, theo nghiên cứu đăng trên Nature Communications.

"Bằng cách sử dụng phân tán bậc cao, chúng tôi đã đạt được băng thông khuếch đại chưa từng có, vượt quá 300 nm trong các ống dẫn sóng tích hợp có độ tổn hao cực thấp," các nhà nghiên cứu giải thích trong công bố khoa học.

Hiệu ứng trộn bốn sóng (four-wave mixing) là quá trình phi tuyến trong đó tương tác giữa các tín hiệu quang học tạo ra các tín hiệu mới, phóng đại hiệu quả của việc truyền dữ liệu. Tạp chí Science Advances giải thích rằng quá trình này đóng vai trò then chốt trong việc mở rộng băng thông của bộ khuếch đại, cho phép xử lý nhiều kênh dữ liệu cùng lúc.

Mặc dù được triển khai trên ống dẫn sóng silicon nitride, các nhà nghiên cứu cho biết phương pháp thiết kế này có thể được áp dụng cho nhiều nền tảng vật liệu khác.

Ứng dụng đa dạng

Khả năng khuếch đại tín hiệu yếu của thiết bị mở ra tiềm năng ứng dụng trong truyền thông không gian, nơi tín hiệu thường rất mong manh.

Chỉ cần điều chỉnh nhỏ trong thiết kế, bộ khuếch đại có thể khuếch đại cả ánh sáng khả kiến và ánh sáng hồng ngoại. Điều này cho phép phát triển các hệ thống laser có khả năng thay đổi bước sóng nhanh chóng trên phạm vi rộng.

Ứng dụng trong y tế

Bộ khuếch đại có triển vọng đặc biệt trong các hệ thống laser dùng cho chẩn đoán y tế. Băng thông lớn cho phép phân tích chính xác hơn và chụp ảnh các mô và cơ quan, hỗ trợ phát hiện bệnh sớm với độ chính xác cao.

Giải pháp tiết kiệm chi phí và năng lượng

Với ưu điểm tiết kiệm chi phí, nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng, bộ khuếch đại cung cấp giải pháp khả thi cho nhiều loại laser khác nhau.

"Một hệ thống laser duy nhất dựa trên bộ khuếch đại này có thể được sử dụng trong nhiều lĩnh vực," GS Andrekson nói. "Nó có thể được áp dụng trong chụp ảnh, tạo ảnh ba chiều, quang phổ, hiển vi, và phân tích đặc tính vật liệu và linh kiện ở các bước sóng hoàn toàn khác nhau."

Công nghệ này đại diện cho bước tiến quan trọng trong lĩnh vực truyền thông quang học và có thể góp phần đáng kể vào sự phát triển của các hệ thống truyền dữ liệu hiệu quả hơn, cũng như các ứng dụng laser tiên tiến trong nhiều lĩnh vực từ y tế đến truyền thông vũ trụ.