Khoa học kỹ thuật và công nghệ

Các nhà nghiên cứu sử dụng sóng âm thanh để cải thiện hệ thống thông tin sợi quang (27/02/2018)

Các nhà nghiên cứu Illinois đã chứng minh được sóng âm có thể được sử dụng để sản xuất điốt quang cực trị siêu nhỏ, đủ nhỏ để tích hợp vào chip máy tính. Các thiết bị này, được gọi là các bộ cách ly quang học, có thể giúp giải quyết các vấn đề lớn về dung lượng dữ liệu và thách thức về kích cỡ hệ thống cho các mạch tích hợp quang tử, tương đương ánh sáng của các mạch điện tử, được sử dụng cho máy tính và truyền thông.

Các nhà nghiên cứu cho biết, bộ cách ly là các thiết bị phi thuận nghịch hoặc là thiết bị "một chiều", nó tương tự như điốt điện tử. Chúng bảo vệ nguồn laser khỏi phản xạ ngược lại và là thiết bị rất cần thiết cho việc định tuyến các tín hiệu ánh sáng xung quanh các mạng quang học. Ngày nay, công nghệ tiên tiến dùng để sản xuất các thiết bị phi thuận nghịch này rất cần phải có được các vật liệu có khả năng biến đổi tính chất quang học của chúng để đáp ứng với từ trường. 

Giáo sư kỹ thuật và khoa học cơ học, và là đồng tác giả của nghiên cứu, Gaurav Bahl cho biết: “Có một số vấn đề tồn tại khi việc ứng dụng các vật liệu đáp ứng từ trường để có được một luồng ánh sáng trong một chip photonic đó là: thứ nhất, ngành công nghiệp không đủ khả năng để đưa các nam châm gọn nhẹ vào trong chip, nhưng quan trọng hơn là, các vật liệu thiết yếu vẫn không tạo ra độ hữu dụng trong các lò đúc quang tử, đó là lý do tại sao ngành công nghiệp rất cần một phương pháp tiếp cận tốt hơn mà duy nhất chỉ sử dụng các vật liệu thông thường và tránh được toàn bộ các từ trường”. 

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Nature Photonics, các nhà nghiên cứu đã giải thích cách thức họ sử dụng cặp đôi kết nối có kích cỡ rất nhỏ nằm ở giữa ánh sáng và âm thanh để cung cấp một giải pháp duy nhất cho phép các thiết bị phi đảo nghịch với hầu hết các vật liệu quang tử. Tuy nhiên, kích thước vật lý của thiết bị và sự sẵn có của vật liệu không phải là vấn đề duy nhất với các thiết bị hiện đại hiện nay, các nhà nghiên cứu cho biết.

Tác giả chính của nghiên cứu, Benjamin Sohn, cho biết rằng: “Những nỗ lực trong phòng thí nghiệm để tạo ra các bộ cách ly quang có từ tính luôn bị cản trở bởi sự mất mát quang học lớn. Ngành công nghiệp quang tử không có đủ khả năng để khắc phục được những tổn thất có liên quan đến vật liệu này và cũng không cần có một giải pháp cung cấp đủ băng thông để có thể so sánh được với kỹ thuật từ trường truyền thống. Cho tới nay, không có cách tiếp cận magnetless nào để cạnh tranh so sánh”.

Thiết bị mới được tạo ra mới đây có kích thước chỉ khoảng 200 microns - khoảng 10.000 lần nhỏ hơn một centimet vuông - và được làm bằng nhôm nitrit, một vật liệu trong suốt truyền ánh sáng và tương thích với các phôi quang tử.

“Các sóng âm được sản xuất theo một cách tương tự như một loa áp điện, sử dụng các điện cực nhỏ được ghi trực tiếp lên nitrơ nhôm với chùm điện tử. Những sóng âm thanh này ép ánh sáng bên trong thiết bị chỉ được di chuyển theo một hướng. Đây là lần đầu tiên mà thiết bị cách điện ít nam châm có đặc tính vượt trội hơn băng thông gigahertz”, Sohn nói.

Các nhà nghiên cứu đang tìm cách để tăng băng thông hoặc dung lượng dữ liệu của các thiết bị cách ly này và họ tin chắc rằng chúng có thể vượt qua các trở ngại hiện nay. Sau khi hoàn thiện, họ mường tượng đến các ứng dụng thay đổi trong các hệ thống truyền thông quang tử, kính ngắm, hệ thống GPS, các trung tâm dữ liệu và chấm công nguyên tử.

“Các trung tâm dữ liệu xử lý các lượng lưu lượng của dữ liệu Internet rất lớn và tiêu thụ một lượng điện lớn để kết nối và để làm mát cho các máy chủ. Thông tin truyền đi trên cơ sở ánh sáng là điều cần thiết bởi vì nó sinh ít nhiệt hơn, nghĩa là mất ít năng lượng hơn khi làm mát máy chủ trong quá trình truyền dữ liệu”, Bahl chia sẻ. 

Ngoài tiềm năng công nghệ, các nhà nghiên cứu không thể có được các giải pháp hữu ích nào nhưng họ đã bị mê hoặc bởi nền khoa học cơ bản đằng sau sự tiến bộ này.

“Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta không nhìn thấy sự tương tác của ánh sáng với âm thanh. Nghiên cứu của chúng tôi cho thấy rằng ánh sáng và âm thanh thực sự tương tác một cách rất tinh tế. Nếu bạn áp dụng các nguyên lý đúng đắn, bạn có thể nắm bắt minh bạch thông tin vật liệu đúng cách để nâng cao hiệu quả và giải quyết những thách thức khoa học quan trọng này”, Bahl nói.

Nguồn: P.T.T (NASATI),

Cập nhật: 30/01/2018