Một loại bộ ghép kênh terahertz mới đã tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu và cải thiện đáng kể khả năng truyền thông 6G với băng thông chưa từng có và mức mất dữ liệu thấp.
Các nhà nghiên cứu đã giới thiệu bộ ghép kênh terahertz băng tần siêu rộng có khả năng tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu và mang lại những tiến bộ mang tính cách mạng cho 6G và hơn thế nữa. (Nguồn ảnh: Getty Images)
Công nghệ truyền thông không dây thế hệ tiếp theo, đại diện là công nghệ terahertz, hứa hẹn sẽ cách mạng hóa việc truyền dữ liệu.
Các hệ thống này hoạt động ở tần số terahertz, cung cấp băng thông vô song cho truyền dữ liệu và truyền thông cực nhanh. Tuy nhiên, để hiện thực hóa đầy đủ tiềm năng này, cần phải vượt qua những thách thức kỹ thuật đáng kể, đặc biệt là trong việc quản lý và sử dụng hiệu quả phổ tần có sẵn.
Một tiến bộ đột phá đã giải quyết được thách thức này: bộ phân cực terahertz tích hợp băng thông cực rộng đầu tiên được thực hiện trên nền tảng silicon không cần chất nền.
Thiết kế sáng tạo này nhắm đến băng tần J dưới terahertz (220-330 GHz) và hướng đến mục tiêu chuyển đổi giao tiếp cho 6G trở lên. Thiết bị này tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu một cách hiệu quả trong khi vẫn duy trì tỷ lệ mất dữ liệu thấp, mở đường cho mạng không dây tốc độ cao hiệu quả và đáng tin cậy.
Nhóm nghiên cứu đứng sau cột mốc quan trọng này bao gồm Giáo sư Withawat Withayachumnankul từ Khoa Kỹ thuật Điện và Cơ khí thuộc Đại học Adelaide, Tiến sĩ Weijie Gao, hiện là nghiên cứu viên sau tiến sĩ tại Đại học Osaka và Giáo sư Masayuki Fujita.
Giáo sư Withayachumnankul tuyên bố, "Bộ ghép kênh phân cực được đề xuất cho phép truyền nhiều luồng dữ liệu cùng lúc trong cùng một băng tần, giúp tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu". Băng thông tương đối mà thiết bị đạt được là chưa từng có trên bất kỳ dải tần nào, thể hiện bước tiến đáng kể đối với bộ ghép kênh tích hợp.
Bộ ghép kênh phân cực rất cần thiết trong truyền thông hiện đại vì chúng cho phép nhiều tín hiệu chia sẻ cùng một băng tần, giúp tăng cường đáng kể dung lượng kênh.
Thiết bị mới đạt được điều này bằng cách sử dụng bộ ghép hướng hình nón và lớp phủ môi trường hiệu dụng dị hướng. Các thành phần này tăng cường lưỡng chiết phân cực, tạo ra tỷ lệ tiêu tán phân cực (PER) cao và băng thông rộng—các đặc điểm chính của hệ thống truyền thông terahertz hiệu quả.
Không giống như các thiết kế truyền thống dựa trên các ống dẫn sóng bất đối xứng phức tạp và phụ thuộc vào tần số, bộ ghép kênh mới sử dụng lớp phủ dị hướng chỉ phụ thuộc vào tần số một chút. Phương pháp này tận dụng tối đa băng thông rộng rãi do bộ ghép hình nón cung cấp.
Kết quả là băng thông phân đoạn gần 40%, PER trung bình vượt quá 20 dB và tổn thất chèn tối thiểu khoảng 1 dB. Các số liệu hiệu suất này vượt xa các số liệu của thiết kế quang học và vi sóng hiện có, thường bị băng thông hẹp và tổn thất cao.
Công trình của nhóm nghiên cứu không chỉ nâng cao hiệu quả của các hệ thống terahertz mà còn đặt nền tảng cho một kỷ nguyên mới trong truyền thông không dây. Tiến sĩ Gao lưu ý, "Sự đổi mới này là động lực chính để mở khóa tiềm năng của truyền thông terahertz." Các ứng dụng bao gồm phát trực tuyến video độ nét cao, thực tế tăng cường và mạng di động thế hệ tiếp theo như 6G.
Các giải pháp quản lý phân cực terahertz truyền thống, chẳng hạn như bộ chuyển đổi chế độ trực giao (OMT) dựa trên ống dẫn sóng kim loại hình chữ nhật, gặp phải những hạn chế đáng kể. Ống dẫn sóng kim loại gặp phải tổn thất ohmic tăng lên ở tần số cao hơn và quy trình sản xuất của chúng phức tạp do các yêu cầu hình học nghiêm ngặt.
Bộ ghép kênh phân cực quang, bao gồm cả bộ ghép kênh sử dụng máy đo giao thoa Mach-Zehnder hoặc tinh thể quang tử, có khả năng tích hợp tốt hơn và giảm tổn thất nhưng thường đòi hỏi phải đánh đổi giữa băng thông, tính nhỏ gọn và độ phức tạp trong sản xuất.
Bộ ghép hướng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống quang học và yêu cầu lưỡng chiết phân cực mạnh để đạt được kích thước nhỏ gọn và PER cao. Tuy nhiên, chúng bị giới hạn bởi băng thông hẹp và độ nhạy với dung sai sản xuất.
Bộ ghép kênh mới kết hợp các ưu điểm của bộ ghép hướng hình nón và lớp phủ môi trường hiệu quả, khắc phục những hạn chế này. Lớp phủ dị hướng thể hiện tính lưỡng chiết đáng kể, đảm bảo PER cao trên băng thông rộng. Nguyên lý thiết kế này đánh dấu sự thay đổi so với các phương pháp truyền thống, cung cấp giải pháp có khả năng mở rộng và thiết thực cho tích hợp terahertz.
Xác nhận thử nghiệm của bộ ghép kênh đã xác nhận hiệu suất đặc biệt của nó. Thiết bị hoạt động hiệu quả trong phạm vi 225-330 GHz, đạt được băng thông phân đoạn là 37,8% trong khi vẫn duy trì PER trên 20 dB. Kích thước nhỏ gọn và khả năng tương thích với các quy trình sản xuất tiêu chuẩn khiến nó phù hợp để sản xuất hàng loạt.
Tiến sĩ Gao nhận xét, "Sự đổi mới này không chỉ nâng cao hiệu quả của hệ thống truyền thông terahertz mà còn mở đường cho các mạng không dây tốc độ cao mạnh mẽ và đáng tin cậy hơn".
Các ứng dụng tiềm năng của công nghệ này mở rộng ra ngoài các hệ thống truyền thông. Bằng cách cải thiện việc sử dụng phổ tần, bộ ghép kênh có thể thúc đẩy những tiến bộ trong các lĩnh vực như radar, hình ảnh và Internet vạn vật. "Trong vòng một thập kỷ, chúng tôi hy vọng các công nghệ terahertz này sẽ được áp dụng rộng rãi và tích hợp trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau", Giáo sư Withayachumnankul tuyên bố.
Bộ ghép kênh cũng có thể được tích hợp liền mạch với các thiết bị định hình chùm tia trước đó do nhóm phát triển, cho phép các chức năng truyền thông tiên tiến trên một nền tảng thống nhất. Khả năng tương thích này làm nổi bật tính linh hoạt và khả năng mở rộng của nền tảng ống dẫn sóng điện môi bọc trung bình hiệu quả.
Những phát hiện nghiên cứu của nhóm đã được công bố trên tạp chí Laser & Photonic Reviews, nhấn mạnh tầm quan trọng của chúng trong việc thúc đẩy công nghệ terahertz quang tử. Giáo sư Fujita nhận xét, "Bằng cách vượt qua các rào cản kỹ thuật quan trọng, sự đổi mới này dự kiến sẽ kích thích sự quan tâm và hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực này."
Các nhà nghiên cứu dự đoán rằng công trình của họ sẽ truyền cảm hứng cho các ứng dụng mới và những cải tiến công nghệ hơn nữa trong những năm tới, cuối cùng sẽ dẫn đến các sản phẩm và nguyên mẫu thương mại.
Bộ ghép kênh này đại diện cho một bước tiến đáng kể trong việc mở khóa tiềm năng của truyền thông terahertz. Nó đặt ra một tiêu chuẩn mới cho các thiết bị terahertz tích hợp với các số liệu hiệu suất chưa từng có.
Khi nhu cầu về mạng truyền thông tốc độ cao, dung lượng lớn tiếp tục tăng, những cải tiến như vậy sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai của công nghệ không dây.
Thời gian đăng: 16-12-2024