Chế tạo thiết bị chuyển đổi ánh sáng la-ze thành tín hiệu tần số

Các nhà nghiên cứu thuộc Đại học Purdue và Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST) đã chế tạo một thiết bị quang học siêu nhỏ, đủ khả năng gắn trực tiếp trên vi mạch máy tính hiện đại. Thiết bị này biến ánh sáng la-de liên tục thành rất nhiều tín hiệu tần số vô tuyến điện siêu ngắn, mở rộng đáng kể khả năng xử lý tín hiệu bằng công nghệ quang học. Kết quả nghiên cứu được đăng trực tuyến trên tạp chí Nature Photonics, trong số phát hành tháng 10 năm 2011, đánh dấu một bước tiến đáng chú ý trong lĩnh vực này. Theo Andrew Weiner, Giáo sư kỹ thuật điện và máy tính tại Đại học Purdue, những tín hiệu được tạo ra có thể lan truyền với tốc độ cực cao, tương ứng hàng trăm tỷ tín hiệu trong một giây. Tốc độ đặc biệt này tạo điều kiện xây dựng các hệ thống cảm biến, truyền thông và thiết bị phòng thí nghiệm nhỏ gọn, hoạt động nhanh hơn nhiều phương pháp xử lý truyền thống. Thay vì chỉ truyền một tần số đơn lẻ, thiết bị có thể cung cấp đồng thời nhiều thành phần tần số, tạo nền tảng cho những ứng dụng cần băng thông lớn. Trung tâm của công nghệ là một “Hộp cộng hưởng microring”, cấu trúc được chế tạo từ silicon nitride, vật liệu tương thích với silicon vốn được sử dụng rộng rãi trong ngành điện tử. Ánh sáng hồng ngoại phát ra từ tia la-de đi vào vi mạch thông qua một sợi cáp quang duy nhất, sau đó được dẫn hướng bởi ống dẫn sóng bên trong hộp cộng hưởng. Kích thước siêu nhỏ giúp cấu trúc này dễ tích hợp vào các nền tảng vi mạch, đồng thời vẫn duy trì khả năng xử lý tín hiệu quang học phức tạp. Ban đầu, nguồn sáng là tia la-de liên tục, còn gọi là tia la-de tần số đơn, có cường độ ổn định và không chứa tín hiệu tần số vô tuyến điện siêu ngắn. Khi đi qua Hộp cộng hưởng microring, ánh sáng chịu tác động của tương tác phi tuyến tính, từ đó xuất hiện nhiều tần số mới bên cạnh tần số ban đầu. Các tần số này nằm cách đều nhau, tạo thành dạng phổ giống những răng nhỏ liên tiếp, được gọi là “lược tần số”. Lược tần số gồm nhiều phân đoạn, mỗi phân đoạn tương ứng với một tần số khác nhau và có thể được điều khiển nhằm phục vụ các mục đích xử lý riêng biệt. Các tần số mới được tạo ra bên trong hộp cộng hưởng sẽ truyền ra ngoài thiết bị thông qua một sợi cáp quang khác, cho phép hệ thống tiếp tục khai thác hoặc phân chia chúng. Theo nghiên cứu sinh Fahmida Ferdous, tương tác phi tuyến tính giữ vai trò quan trọng vì giúp tạo ra lược tần số chứa cả thành phần ban đầu lẫn những thành phần mới. Bằng cách sử dụng một loạt Hộp cộng hưởng microring có khả năng điều chỉnh, các nhà nghiên cứu có thể lọc những tần số khác nhau, sau đó tạo ra nhiều dạng tín hiệu tần số vô tuyến điện siêu ngắn. Cách tiếp cận này cho phép thiết bị xử lý ánh sáng linh hoạt hơn, thay vì phụ thuộc vào một nguồn tín hiệu đơn giản với số lượng tần số hạn chế. Kích thước nhỏ, khả năng tích hợp với vi mạch silicon và tốc độ hoạt động cao khiến công nghệ trở nên hấp dẫn đối với nhiều hệ thống quang điện tử. Một hướng ứng dụng quan trọng là phát triển các cảm biến quang học tiên tiến, có khả năng phát hiện và đo lường vật liệu nguy hiểm hoặc những tác nhân gây ô nhiễm trong môi trường. Công nghệ cũng có thể hỗ trợ dò tìm quang phổ siêu nhạy trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu, nơi việc nhận diện những tín hiệu rất yếu thường đòi hỏi thiết bị chính xác. Trong lĩnh vực truyền thông quang học, nền tảng này hứa hẹn truyền tải khối lượng thông tin lớn hơn với chất lượng tốt hơn khi băng thông được mở rộng. Đây còn là nền tảng công nghệ cho thế hệ tín hiệu điện băng thông rộng, với những ứng dụng khả thi trong truyền thông không dây và các hệ thống ra-đa. Điểm mới của nghiên cứu nằm ở việc lần đầu xử lý các tần số bằng “công nghệ dạng sóng quang học tùy ý”, phương pháp được các nhà nghiên cứu Đại học Purdue do Weiner dẫn đầu đi tiên phong. Nhóm nghiên cứu kiểm soát được biên độ và trạng thái của từng dòng quang phổ, đồng thời mở ra hướng nghiên cứu mới về các quá trình vật lý qua hai dạng lược tần số, gồm “mạch lạc toàn phần” và “mạch lạc bán phần”.