Các nhà nghiên cứu sử dụng sóng âm thanh để thúc đẩy truyền thông quang học

Các nhà nghiên cứu ở Illinois đã chứng minh rằng sóng âm thanh có thể được sử dụng để tạo ra các điốt quang siêu nhỏ, đủ nhỏ để lắp vào một con chip máy tính. Những thiết bị này, được gọi là bộ cách ly quang học, có thể giúp giải quyết các thách thức lớn về dung lượng dữ liệu và kích thước hệ thống đối với các mạch tích hợp quang tử, tương đương với các mạch điện tử dựa trên ánh sáng, được sử dụng cho máy tính và truyền thông.

Bộ cách ly là thiết bị không tương hỗ hoặc “một chiều” tương tự như điốt điện tử. Chúng bảo vệ nguồn laser khỏi phản xạ ngược và cần thiết để định tuyến tín hiệu ánh sáng xung quanh mạng quang. Ngày nay, công nghệ vượt trội để sản xuất những thiết bị không tương hỗ như vậy đòi hỏi nguyên vật liệu các nhà nghiên cứu cho biết, chúng thay đổi tính chất quang học để phản ứng với từ trường.

Giáo sư khoa học và kỹ thuật cơ khí và đồng tác giả của nghiên cứu cho biết: “Có một số vấn đề khi sử dụng vật liệu phản ứng từ tính để đạt được luồng ánh sáng một chiều trong chip quang tử”. Gaurav Bahl. “Đầu tiên, ngành công nghiệp đơn giản là không có khả năng tốt để đặt nam châm nhỏ gọn lên chip. Nhưng quan trọng hơn, các vật liệu cần thiết vẫn chưa có sẵn trong các xưởng đúc quang tử. Đó là lý do tại sao ngành công nghiệp rất cần một cách tiếp cận tốt hơn chỉ sử dụng các vật liệu thông thường và tránh hoàn toàn từ trường.”

Trong một nghiên cứu đăng trên tạp chí Quang tử thiên nhiên, các nhà nghiên cứu giải thích cách họ sử dụng sự ghép nối cực nhỏ giữa ánh sáng và âm thanh để cung cấp một giải pháp độc đáo cho phép các thiết bị không tương hỗ hoạt động với hầu hết mọi vật liệu quang tử.

Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu cho biết, kích thước vật lý của thiết bị và sự sẵn có của vật liệu không phải là vấn đề duy nhất với công nghệ hiện đại.

Nghiên cứu sinh và tác giả chính Benjamin Sohn cho biết: “Những nỗ lực trong phòng thí nghiệm nhằm sản xuất các bộ cách ly quang từ tính nhỏ gọn luôn gặp trở ngại do tổn thất quang học lớn”. “Ngành công nghiệp quang tử không thể chịu được tổn thất liên quan đến vật liệu này và cũng cần một giải pháp cung cấp đủ băng thông để có thể so sánh với kỹ thuật từ tính truyền thống. Cho đến nay, chưa có cách tiếp cận không có nam châm nào mang tính cạnh tranh.”

Thiết bị mới này chỉ có kích thước 200 x 100 micron – nhỏ hơn khoảng 10.000 lần so với 1 cm vuông – và được làm bằng nhôm nitrit, một vật liệu trong suốt truyền ánh sáng và tương thích với các xưởng đúc quang tử. “Sóng âm thanh được tạo ra theo cách tương tự như loa áp điện, sử dụng các điện cực cực nhỏ được ghi trực tiếp lên nhôm nitrit bằng chùm tia điện tử. Đó là những thứ này sóng âm buộc ánh sáng bên trong thiết bị chỉ truyền theo một hướng. Đây là lần đầu tiên một bộ cách ly không nam châm vượt qua băng thông gigahertz,” Sohn nói.

Các nhà nghiên cứu đang tìm cách tăng băng thông hoặc dung lượng dữ liệu của các bộ cách ly này và tự tin rằng họ có thể vượt qua rào cản này. Sau khi được hoàn thiện, họ hình dung ra những ứng dụng mang tính biến đổi trong hệ thống thông tin quang tử, con quay hồi chuyển, hệ thống GPS, máy chấm công nguyên tử và trung tâm dữ liệu.

Bahl cho biết: “Các trung tâm dữ liệu xử lý một lượng lớn lưu lượng dữ liệu internet và tiêu thụ một lượng lớn năng lượng để kết nối mạng cũng như để giữ cho máy chủ luôn mát mẻ”. “Giao tiếp dựa trên ánh sáng là điều đáng mong muốn vì nó tạo ra ít nhiệt hơn, nghĩa là có thể tiêu tốn ít năng lượng hơn cho việc làm mát máy chủ trong khi truyền nhiều dữ liệu hơn mỗi giây.”

Bên cạnh tiềm năng công nghệ, các nhà nghiên cứu không thể không bị mê hoặc bởi nền tảng khoa học cơ bản đằng sau sự tiến bộ này.

“Trong cuộc sống hàng ngày, chúng ta không thấy sự tương tác giữa ánh sáng và âm thanh,” Bahl nói. “Ánh sáng có thể xuyên qua một tấm kính trong suốt mà không gây ra hiện tượng gì kỳ lạ. Lĩnh vực nghiên cứu của chúng tôi đã phát hiện ra rằng ánh sáng và trên thực tế, âm thanh tương tác với nhau một cách rất tinh tế. Nếu bạn áp dụng các nguyên tắc kỹ thuật phù hợp, bạn có thể lắc vật liệu trong suốt theo đúng cách để nâng cao những hiệu ứng này và giải quyết thách thức khoa học lớn này. Nó có vẻ gần như kỳ diệu.”