Một loại bộ ghép kênh terahertz mới đã tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu và cải thiện đáng kể khả năng liên lạc 6G với băng thông chưa từng có và tỷ lệ mất dữ liệu thấp.
Các nhà nghiên cứu đã giới thiệu một 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 công nghệ 6G và các thế hệ tiếp theo. (Nguồn ảnh: Getty Images)
Công nghệ truyền thông không dây thế hệ tiếp theo, được đại diện bởi công nghệ terahertz, hứa hẹn sẽ cách mạng hóa việc truyền tải dữ liệu.
Các hệ thống này hoạt động ở tần số terahertz, cung cấp băng thông chưa từng có cho việc truyền tải và liên lạc dữ liệu siêu nhanh. Tuy nhiên, để phát huy hết 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 khả dụng.
Một bước tiến đột phá đã giải quyết thách thức này: bộ ghép kênh/tách kênh phân cực terahertz tích hợp băng thông siêu rộng đầu tiên được hiện thực hóa trên nền tảng silicon không cần chất nền.
Thiết kế đột phá này nhắm đến dải tần J dưới terahertz (220-330 GHz) và hướng đến mục tiêu chuyển đổi truyền thông cho mạng 6G và các thế hệ tiếp theo. Thiết bị này giúp tăng gấp đôi dung lượng dữ liệu trong khi vẫn duy trì tỷ lệ mất dữ liệu thấp, mở đường cho các mạng không dây tốc độ cao hiệu quả và đáng tin cậy.
Nhóm nghiên cứu đứng sau cột mốc này bao gồm Giáo sư Withawat Withayachumnankul từ Trường Kỹ thuật Điện và Cơ khí thuộc 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 truyền nhiều luồng dữ liệu đồng thời trong cùng một dải tần số, 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 số nào, thể hiện một bước tiến đáng kể đối với các 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 cùng chia sẻ một dải tần số, giúp tăng đáng kể dung lượng kênh.
Thiết bị mới này đạt được điều đó bằng cách sử dụng các bộ ghép định hướng hình nón và lớp phủ môi trường hiệu dụng dị hướng. Các thành phần này tăng cường hiện tượng lưỡng chiết phân cực, dẫn đến tỷ lệ triệt tiêu phân cực (PER) cao và băng thông rộng — những đặc điểm quan trọng của các 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 với độ phụ thuộc tần số rất nhỏ. Cách tiếp cận này tận dụng tối đa băng thông rộng lớn do các bộ ghép hình nón cung cấp.
Kết quả là băng thông tương đối gần 40%, PER trung bình vượt quá 20 dB và tổn hao chèn tối thiểu khoảng 1 dB. Các chỉ số hiệu suất này vượt xa các thiết kế quang học và vi sóng hiện có, vốn thường bị hạn chế về băng thông hẹp và tổn hao cao.
Công trình nghiên cứu của nhóm không chỉ nâng cao hiệu quả của các hệ thống terahertz mà còn đặt nền móng cho một kỷ nguyên mới trong truyền thông không dây. Tiến sĩ Gao nhận xét: "Sự đổi mới này là động lực chính để khai phá tiềm năng của truyền thông terahertz." Các ứng dụng bao gồm truyền phát video độ nét cao, thực tế tăng cường và các 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 chịu tổn hao điện trở tăng lên ở tần số cao hơn, và quy trình sản xuất của chúng phức tạp do yêu cầu hình học nghiêm ngặt.
Các bộ ghép kênh phân cực quang học, 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 đòi hỏi sự đánh đổi giữa băng thông, độ nhỏ gọn 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 độ lưỡng chiết phân cực mạnh để đạt được kích thước nhỏ gọn và hiệu suất chuyển đổi quang học cao (PER). Tuy nhiên, chúng bị hạn chế bởi băng thông hẹp và độ nhạy cảm với dung sai sản xuất.
Bộ ghép kênh mới kết hợp những ưu điểm của bộ ghép định hướng hình nón và lớp phủ môi trường hiệu dụng, khắc phục những hạn chế đã nêu. Lớp phủ dị hướng thể hiện độ lưỡng chiết đáng kể, đảm bảo PER cao trên dải băng thông rộng. Nguyên tắc thiết kế này đánh dấu một bước đột phá so với các phương pháp truyền thống, cung cấp một giải pháp khả thi và có thể mở rộng cho việc tích hợp terahertz.
Việc kiểm chứng thực nghiệm bộ ghép kênh đã khẳng định hiệu suất vượt trội của nó. Thiết bị hoạt động hiệu quả trong dải tần 225-330 GHz, đạt được băng thông tương đối 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 cho sản xuất hàng loạt.
Tiến sĩ Gao nhận xét: "Sự đổi mới này không chỉ nâng cao hiệu quả của các 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 vượt ra ngoài phạm vi 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. Giáo sư Withayachumnankul cho biết: "Trong vòng một thập kỷ, chúng tôi kỳ vọng các công nghệ terahertz này sẽ được áp dụng rộng rãi và tích hợp trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau."
Bộ ghép kênh này cũng có thể được tích hợp liền mạch với các thiết bị tạo chùm tia trước đó do nhóm nghiên cứu 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 có lớp phủ trung gian 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 những rào cản kỹ thuật quan trọng, sự đổi mới này được kỳ vọng sẽ kích thích sự quan tâm và hoạt động nghiên cứu trong lĩnh vực này."
Các nhà nghiên cứu kỳ vọng 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 dẫn đến các nguyên mẫu và sản phẩm thương mại.
Bộ ghép kênh này đại diện cho một bước tiến đáng kể trong việc khai thác tiềm năng của truyền thông terahertz. Nó thiết lập một tiêu chuẩn mới cho các thiết bị terahertz tích hợp với các chỉ số hiệu suất chưa từng có.
Khi nhu cầu về mạng lưới truyền thông tốc độ cao, dung lượng lớn tiếp tục tăng lên, những đổi mới như vậy sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc định hình tương lai của công nghệ không dây.
Thời gian đăng bài: 16/12/2024