Bộ khuếch đại quang học siêu nhỏ này giúp tăng cường ánh sáng gấp 100 lần, có thể tích hợp vào smartphone

Ánh sáng là nền tảng của rất nhiều công nghệ hiện đại, từ TV, vệ tinh cho tới các tuyến cáp quang truyền tải dữ liệu Internet xuyên lục địa. Mới đây, một nhóm nhà vật lý tại Đại học Stanford đã phát triển một cách tiếp cận mới giúp hệ thống dựa trên ánh sáng tiến xa hơn nữa.

Thiết bị khuếch đại quang học cỡ nhỏ – chỉ bằng đầu ngón tay – này hoạt động với mức tiêu thụ năng lượng cực thấp nhưng vẫn duy trì được toàn bộ băng thông hiệu suất.

Tương tự như ampli âm thanh giúp tăng cường độ lớn của tín hiệu, bộ khuếch đại quang học có nhiệm vụ tăng cường cường độ ánh sáng. Tuy nhiên, nhiều bộ khuếch đại cỡ nhỏ hiện nay cần lượng điện năng khá lớn để vận hành. Thiết bị mới được công bố trên tạp chí Nature đã khắc phục hạn chế đó bằng cách tái sử dụng phần lớn năng lượng cung cấp cho nó, qua đó cải thiện hiệu suất một cách đáng kể.

Amir Safavi-Naeini, tác giả chính của nghiên cứu và là phó giáo sư vật lý tại Trường Khoa học Nhân văn và Khoa học của Stanford, cho biết đây là lần đầu tiên nhóm nghiên cứu chứng minh được một bộ khuếch đại quang học vừa đa dụng, vừa tiêu thụ điện năng thấp, có thể hoạt động trên toàn bộ phổ quang học và đủ hiệu quả để tích hợp trực tiếp lên chip. Điều này mở ra khả năng xây dựng các hệ thống quang học phức tạp hơn nhiều so với trước đây.

Hiệu suất cao, có thể tích hợp lên chip

Bộ khuếch đại do Stanford phát triển có thể tăng cường cường độ ánh sáng lên khoảng 100 lần nhưng chỉ tiêu thụ vài trăm miliwatt điện — thấp hơn đáng kể so với các thiết bị tương đương cùng kích thước. Nhờ kết hợp hiệu suất mạnh mẽ với thiết kế nhỏ gọn, thiết bị này thậm chí có thể chạy bằng pin và tích hợp vào laptop hoặc smartphone trong tương lai.

Một vấn đề thường gặp khi tăng cường tín hiệu là nhiễu, có thể làm giảm chất lượng truyền dữ liệu. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu cho thấy thiết bị của họ giữ mức nhiễu bổ sung ở mức tối thiểu. Đồng thời, nó còn hỗ trợ băng thông rộng hơn các bộ khuếch đại cỡ nhỏ hiện nay, cho phép xử lý dải tần ánh sáng rộng hơn. Hai yếu tố này kết hợp lại giúp tăng dung lượng truyền dữ liệu và giảm can nhiễu.

Thiết bị hoạt động dựa trên năng lượng tích trữ trong một chùm ánh sáng gọi là “pump”. Hiệu quả khuếch đại phụ thuộc vào cường độ của chùm pump này.

Thiết kế cộng hưởng và cơ chế tái chế năng lượng

Devin Dean, đồng tác giả chính của nghiên cứu và là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của Safavi-Naeini, cho biết nhóm đã cải thiện hiệu suất bằng cách “tái chế” năng lượng của chùm pump mà không làm ảnh hưởng đến các đặc tính khác của thiết bị.

Để làm được điều này, họ sử dụng một cấu trúc cộng hưởng tương tự thiết kế trong laser như một “mẹo tái chế năng lượng”. Trong các hệ thống như vậy, ánh sáng phản xạ trở lại chính nó, khiến cường độ tăng lên – tương tự như khi ánh sáng dội qua lại giữa hai gương.

Trong bộ khuếch đại mới, ánh sáng pump được tạo ra bên trong một bộ cộng hưởng, nơi nó tuần hoàn theo quỹ đạo dạng đường đua. Khi liên tục quay vòng, cường độ ánh sáng tăng dần, từ đó giúp khuếch đại tín hiệu mục tiêu hiệu quả hơn. Nhờ tạo được cường độ cao từ mức năng lượng đầu vào thấp, hệ thống đạt hiệu suất vượt trội.

Nhờ mức tiêu thụ điện thấp và kích thước siêu nhỏ, bộ khuếch đại này có thể hoạt động bằng pin và tích hợp vào những thiết bị nhỏ như smartphone.

Theo Dean, khi công nghệ đạt đến mức có thể sản xuất hàng loạt và cấp nguồn bằng pin, phạm vi ứng dụng sẽ cực kỳ rộng. Nó có thể được dùng trong truyền thông dữ liệu, cảm biến sinh học, phát triển nguồn sáng mới hoặc nhiều lĩnh vực khác chưa từng khả thi trước đây.