Chip quang tử băng thông siêu rộng tăng cường tín hiệu quang học

Các mạng truyền thông hiện đại dựa vào tín hiệu quang để truyền tải lượng dữ liệu khổng lồ. Nhưng cũng giống như tín hiệu radio yếu, các tín hiệu quang này cần được khuếch đại để truyền đi quãng đường dài mà không bị mất thông tin. Các bộ khuếch đại phổ biến nhất, bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA), đã phục vụ mục đích này trong nhiều thập kỷ, cho phép truyền dẫn ở khoảng cách xa hơn mà không cần tái tạo tín hiệu thường xuyên. Tuy nhiên, chúng hoạt động trong một băng thông quang phổ hạn chế, làm hạn chế sự mở rộng của mạng quang.

Để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về truyền dữ liệu tốc độ cao, các nhà nghiên cứu đã và đang tìm cách phát triển các bộ khuếch đại mạnh mẽ hơn, linh hoạt hơn và nhỏ gọn hơn. Mặc dù các bộ tăng tốc AI, trung tâm dữ liệu và hệ thống điện toán hiệu năng cao đang xử lý lượng dữ liệu ngày càng tăng, nhưng những hạn chế của các bộ khuếch đại quang hiện có đang ngày càng trở nên rõ rệt.

Nhu cầu về khuếch đại băng thông siêu rộng — các bộ khuếch đại hoạt động trên phạm vi bước sóng rộng hơn — đang trở nên cấp thiết hơn bao giờ hết. Các giải pháp hiện có, chẳng hạn như bộ khuếch đại Raman, mang lại một số cải tiến, nhưng chúng vẫn còn quá phức tạp và tiêu tốn nhiều năng lượng.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu do Tobias Kippenberg tại EPFL và Paul Seidler tại IBM Research Europe – Zurich dẫn đầu đã phát triển một bộ khuếch đại tham số sóng truyền (TWPA) dựa trên chip quang tử, đạt được khả năng khuếch đại tín hiệu băng thông cực rộng trong một hình dạng nhỏ gọn chưa từng có. Sử dụng công nghệ gallium phosphide trên silicon dioxide, bộ khuếch đại mới đạt được độ khuếch đại ròng hơn 10 dB trên băng thông khoảng 140 nm — rộng hơn gấp ba lần so với bộ khuếch đại sợi quang pha tạp erbium (EDFA) băng tần C thông thường.

Hầu hết các bộ khuếch đại dựa vào các nguyên tố đất hiếm để tăng cường tín hiệu. Thay vào đó, bộ khuếch đại mới sử dụng tính phi tuyến quang học — một đặc tính trong đó ánh sáng tương tác với vật liệu để tự khuếch đại. Bằng cách thiết kế cẩn thận một ống dẫn sóng xoắn ốc nhỏ, các nhà nghiên cứu đã tạo ra một không gian nơi các sóng ánh sáng tăng cường lẫn nhau, khuếch đại các tín hiệu yếu trong khi vẫn giữ mức nhiễu thấp. Phương pháp này không chỉ giúp bộ khuếch đại hoạt động hiệu quả hơn mà còn cho phép nó hoạt động trên phạm vi bước sóng rộng hơn nhiều, tất cả đều nằm trong một thiết bị nhỏ gọn, kích thước bằng chip.

Nhóm nghiên cứu đã chọn gallium phosphide vì các đặc tính quang học vượt trội của nó. Thứ nhất, nó thể hiện tính phi tuyến quang học mạnh mẽ, có nghĩa là các sóng ánh sáng đi qua nó có thể tương tác theo cách làm tăng cường độ tín hiệu. Thứ hai, nó có chỉ số khúc xạ cao, cho phép ánh sáng được giữ chặt bên trong ống dẫn sóng, dẫn đến khuếch đại hiệu quả hơn. Bằng cách sử dụng gallium phosphide, các nhà khoa học đã đạt được độ khuếch đại cao với ống dẫn sóng chỉ dài vài centimet, giảm đáng kể kích thước của bộ khuếch đại và làm cho nó trở nên khả thi cho các hệ thống truyền thông quang học thế hệ tiếp theo.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng bộ khuếch đại dựa trên chip của họ có thể đạt được độ khuếch đại lên đến 35 dB trong khi vẫn giữ mức nhiễu thấp. Thêm vào đó, các tín hiệu cực yếu cũng có thể được khuếch đại, với khả năng xử lý công suất đầu vào trải rộng trên sáu bậc độ lớn. Những tính năng này làm cho bộ khuếch đại mới có khả năng thích ứng cao với nhiều ứng dụng khác nhau ngoài lĩnh vực viễn thông, chẳng hạn như cảm biến chính xác.

Bộ khuếch đại này cũng nâng cao hiệu suất của các dải tần quang học và tín hiệu truyền thông đồng bộ — hai công nghệ then chốt trong mạng quang học và quang tử hiện đại — cho thấy rằng các mạch tích hợp quang tử như vậy có thể vượt trội so với các hệ thống khuếch đại dựa trên sợi quang truyền thống.

Bộ khuếch đại mới này có tầm ảnh hưởng sâu rộng đến tương lai của các trung tâm dữ liệu, bộ xử lý AI và hệ thống điện toán hiệu năng cao, tất cả đều có thể hưởng lợi từ việc truyền dữ liệu nhanh hơn và hiệu quả hơn. Và các ứng dụng của nó không chỉ giới hạn ở việc truyền dữ liệu, mà còn mở rộng đến cảm biến quang học, đo lường và thậm chí cả hệ thống LiDAR được sử dụng trong xe tự lái.

Những người đóng góp khác

• Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Lượng tử EPFL
• Trung tâm Nghiên cứu IBM Châu Âu – Zurich