Một loại bộ ghép kênh terahertz mới đã tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu và tăng cường đáng kể khả năng liên lạc 6G với băng thông chưa từng có và mức độ mất dữ liệu thấp.
Các nhà nghiên cứu đã giới thiệu bộ ghép kênh terahertz băng tần siêu rộng giúp tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu và mang lại những tiến bộ mang tính cách mạng cho 6G và hơn thế nữa. (Nguồn hình ảnh: Getty Images)
Truyền thông không dây thế hệ tiếp theo, được đại diện bởi 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 để truyền và liên lạc dữ liệu cực nhanh. Tuy nhiên, để phát huy hết tiềm năng này, cần phải vượt qua những thách thức kỹ thuật quan trọng, đặc biệt là trong việc quản lý và sử dụng hiệu quả phổ tần sẵn có.
Một tiến bộ mang tính đột phá đã giải quyết được thách thức này: bộ ghép kênh phân cực (de) terahertz tích hợp băng tần siêu rộng đầu tiên được hiện thực hóa trên nền tảng silicon không có chất nền.
Thiết kế sáng tạo này nhắm đến băng tần J dưới terahertz (220-330 GHz) và nhằm mục đích chuyển đổi hoạt động truyền thông 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 đằng sau cột mốc quan trọng này bao gồm Giáo sư Withawat Withayachumnankul từ Trường Kỹ thuật Điện và Cơ khí của Đại học Adelaide, Tiến sĩ Weijie Gao, hiện là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Osaka và Giáo sư Masayuki Fujita.
Giáo sư Withayachumnankul cho biết: "Bộ ghép kênh phân cực được đề xuất cho phép nhiều luồng dữ liệu được truyền đồng thời trong cùng một dải tần, giúp tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu một cách hiệu quả." Băng thông tương đối mà thiết bị đạt được là chưa từng có trên bất kỳ dải tần nào, thể hiện bước nhảy vọt 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 dải tần, tăng cường đáng kể dung lượng kênh.
Thiết bị mới đạt được điều này bằng cách sử dụng các bộ ghép định hướng hình nón và lớp bọc môi trường hiệu quả dị hướng. Các thành phần này tăng cường khả năng lưỡng chiết phân cực, dẫn đến tỷ lệ tuyệt chủng 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 bọc dị hướng chỉ phụ thuộc rất ít vào tần số. Cách tiếp cận này tận dụng tối đa băng thông dồi dào được cung cấp bởi các bộ ghép hình nón.
Kết quả là băng thông phân đoạn gần 40%, PER trung bình vượt quá 20 dB và suy hao chèn tối thiểu khoảng 1 dB. Các thước đo hiệu suất này vượt xa các thước đo hiệu suất của các thiết kế quang học và vi sóng hiện có, vốn thường có băng thông hẹp và tổn hao cao.
Công trình của nhóm nghiên cứu không chỉ nâng cao hiệu quả của hệ thống terahertz mà còn đặt nền móng cho một kỷ nguyên mới trong truyền thông không dây. Tiến sĩ Gao lưu ý: “Sự đổi mới này là động lực chính trong việc mở ra tiềm năng của truyền thông terahertz”. Các ứng dụng bao gồm truyền phát video độ phân giải 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 có tổn hao ohm tăng ở tần số cao hơn và quy trình sản xuất của chúng rất phức tạp do các yêu cầu hình học nghiêm ngặt.
Bộ ghép kênh phân cực quang, bao gồm cả những bộ sử dụng giao thoa kế Mach-Zehnder hoặc tinh thể quang tử, mang lại khả năng tích hợp tốt hơn và tổn thất thấp hơn nhưng thường yêu cầu phải cân bằng giữa băng thông, độ nén và độ phức tạp trong sản xuất.
Bộ ghép định hướng được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống quang học và yêu cầu khả năng lưỡng chiết phân cực mạnh để đạt được kích thước nhỏ gọn và PER cao. Tuy nhiên, chúng bị hạn chế bởi băng thông hẹp và độ nhạy với dung sai sản xuất.
Bộ ghép kênh mới kết hợp các ưu điểm của bộ ghép định hướng hình nón và lớp bọc môi trường hiệu quả, khắc phục những hạn chế này. Lớp bọc dị hướng thể hiện khả năng lưỡng chiết đáng kể, đảm bảo PER cao trên băng thông rộng. Nguyên tắc thiết kế này đánh dấu sự khởi đầu từ các phương pháp truyền thống, cung cấp giải pháp thực tế và có thể mở rộng để tích hợp terahertz.
Việc xác thực thử nghiệm bộ ghép kênh đã xác nhận hiệu suất vượt trội của nó. Thiết bị hoạt động hiệu quả ở dải tần 225-330 GHz, đạt băng thông nhỏ 37,8% trong khi 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 cho 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 of Things. Giáo sư Withayachumnankul cho biết: “Trong vòng một thập kỷ, chúng tôi hy vọng những công nghệ terahertz này sẽ được áp dụng và tích hợp rộng rãi trên nhiều ngành công nghiệp khác nhau”.
Bộ ghép kênh cũng có thể được tích hợp liền mạch với các thiết bị định dạng chùm tia trước đó do nhóm phát triển, cho phép thực hiện các chức năng liên lạc nâng cao trên nền tảng hợp 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 lớp trung bình hiệu quả.
Kết quả 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 việc của họ sẽ truyền cảm hứng cho các ứng dụng mới và cải tiến công nghệ hơn nữa trong những năm tới, cuối cùng dẫn đến các nguyên mẫu và sản phẩm thương mại.
Bộ ghép kênh này thể hiện một bước tiến quan trọng trong việc khai thác tiềm năng của truyền thông terahertz. Nó đặt ra 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 cao tiếp tục tăng, những đổi mới như vậy sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai của công nghệ không dây.
Thời gian đăng: 16-12-2024