Hình ảnh về mặt khái niệm đại diện cho nền tảng nhỏ gọn .Ảnh: H. Safi (Đại học Cambridge)

Một hệ thống không dây chạy bằng laser mới sử dụng ánh sáng để cung cấp dữ liệu ở tốc độ vượt quá 360 Gbps. Nó có thể cho phép các mạng trong nhà nhanh hơn, hiệu quả hơn trong khi giảm nhiễu và sử dụng năng lượng.

Cuộc sống hiện đại chạy trên kết nối không dây nhanh chóng, đáng tin cậy. Các cuộc gọi video, phát trực tuyến, thực tế ảo và các thiết bị được kết nối đều phụ thuộc vào mạng đã hỗ trợ hàng tỷ người dùng. Hầu hết dữ liệu này truyền qua các hệ thống dựa trên radio như Wi-Fi và mạng di động. Những công nghệ này đã thúc đẩy hàng thập kỷ tăng trưởng, nhưng chúng đang chạy vào giới hạn. Phổ vô tuyến đang trở nên đông đúc, tín hiệu có thể can thiệp lẫn nhau trong không gian trong nhà bận rộn và việc sử dụng năng lượng tiếp tục tăng khi nhiều thiết bị trực tuyến hơn.

Sử dụng ánh sáng thay vì sóng vô tuyến

Một giải pháp mới nổi là giao tiếp không dây quang học, gửi dữ liệu bằng cách sử dụng ánh sáng chứ không phải sóng vô tuyến. Ánh sáng có băng thông có sẵn lớn hơn nhiều so với tần số vô tuyến, không can thiệp vào các hệ thống không dây hiện có và có thể được hướng chính xác đến các vị trí cụ thể. Những lợi thế này làm cho nó đặc biệt hấp dẫn đối với các môi trường trong nhà như nhà, văn phòng, bệnh viện, trung tâm dữ liệu và địa điểm công cộng, nơi nhiều người dùng cần kết nối nhanh cùng một lúc.

Trong một nghiên cứu được công bố trên Advanced Photonics Nexus, các nhà nghiên cứu đã phát triển một máy phát không dây quang học nhỏ gọn được thiết kế để cung cấp cả tốc độ cao và cải thiện hiệu quả năng lượng. Hệ thống được xây dựng xung quanh một con chip nhỏ chứa một loạt các laser bán dẫn, cùng với một thiết lập quang học điều khiển cách ánh sáng được phân phối cho người dùng. Cùng với nhau, các thành phần này tạo ra một nền tảng có thể mở rộng để giao tiếp không dây trong nhà có dung lượng cao.

Mảng Laser nhỏ cho phép truyền dữ liệu song song

Tại lõi của hệ thống là một mảng 5 × 5 tùy chỉnh của laser phát ra bề mặt dọc, hoặc VCSEL. Những tia laser hồng ngoại này thường được sử dụng trong các trung tâm dữ liệu và công nghệ cảm biến vì chúng hiệu quả và có thể hoạt động ở tốc độ rất cao. Chúng cũng có thể được sản xuất trong các mảng lớn bằng cách sử dụng các phương pháp chế tạo chất bán dẫn tiêu chuẩn.

Mỗi tia laser trong mảng có thể được điều khiển độc lập và truyền dòng dữ liệu riêng của nó. Bằng cách chạy nhiều laser cùng một lúc, hệ thống tăng đáng kể tổng dung lượng dữ liệu so với một nguồn sáng duy nhất. Toàn bộ mảng phù hợp với một con chip nhỏ hơn một milimet, làm cho nó phù hợp với các điểm truy cập không dây nhỏ gọn và thậm chí có khả năng tích hợp vào các thiết bị như điện thoại thông minh.

Các nhà nghiên cứu đã xây dựng chip bằng cách sử dụng các quy trình bán dẫn đã được thiết lập và gắn nó lên một bảng mạch tùy chỉnh. Thử nghiệm ban đầu cho thấy các laser hoạt động liên tục trên mảng, cung cấp đầu ra ổn định và hỗ trợ điều chế tốc độ cao.

Đạt tốc độ không dây quang học 360 Gbps

Để kiểm tra hiệu suất, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một liên kết quang học không gian trống kéo dài hai mét. Mỗi laser sử dụng một phương pháp điều chế chia dữ liệu thành nhiều kênh tần số cách nhau chặt chẽ, cho phép sử dụng băng thông hiệu quả trong khi thích ứng với các biến thể tín hiệu.

Trong số 25 tia laser, 21 đã hoạt động trong quá trình thử nghiệm. Laser riêng lẻ đạt tốc độ từ khoảng 13 đến 19 gigabit mỗi giây. Khi kết hợp, hệ thống đạt được tổng tốc độ dữ liệu là 362,7 gigabit mỗi giây. Đây là một trong những thông lượng được báo cáo cao nhất cho một máy phát không dây quang học quy mô chip bằng cách sử dụng bộ thu kết hợp không gian trống.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng hiệu suất bị giới hạn bởi máy dò quang thương mại được sử dụng trong thiết lập. Với máy thu nhanh hơn, cùng một hệ thống có thể đạt được tốc độ cao hơn nữa.

Ánh sáng định hình cho truy cập không dây nhiều người dùng

Sử dụng nhiều chùm ánh sáng cùng một lúc giới thiệu những thách thức. Nếu chùm tia chồng chéo quá nhiều, chúng có thể can thiệp lẫn nhau và khiến việc tách các luồng dữ liệu trở nên khó khăn hơn. Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống quang học nhỏ gọn định hình và định hướng ánh sáng phát ra một cách cẩn thận.

Một mảng microlens đầu tiên căn chỉnh ánh sáng từ mỗi laser. Ống kính bổ sung sau đó phân phối các chùm tia vào một lưới có cấu trúc của các khu vực chiếu sáng vuông tại máy thu. Thiết lập này đảm bảo mỗi chùm bao gồm một khu vực cụ thể với sự chồng chéo tối thiểu.

Các thử nghiệm cho thấy sự phân bố ánh sáng đạt được độ đồng nhất hơn 90% trên diện tích mục tiêu ở khoảng cách hai mét. Cách tiếp cận có cấu trúc này cho phép các chùm tia khác nhau phục vụ người dùng hoặc thiết bị khác nhau trong cùng một phòng.

Nhóm nghiên cứu cũng chứng minh hoạt động nhiều người dùng bằng cách kích hoạt một số laser cùng một lúc. Trong một thử nghiệm sử dụng bốn chùm tia, mỗi kết nối vẫn ổn định và hệ thống cung cấp tốc độ dữ liệu kết hợp khoảng 22 gigabit mỗi giây. Những kết quả này cho thấy nhiều liên kết quang học có thể chạy đồng thời mà không bị nhiễu đáng kể.

Sử dụng năng lượng thấp hơn Wi-Fi

Cải thiện hiệu quả năng lượng là rất quan trọng khi nhu cầu dữ liệu toàn cầu tiếp tục tăng. Các hệ thống dựa trên radio truyền thống đòi hỏi nhiều năng lượng hơn để cung cấp tốc độ cao hơn, làm tăng chi phí và tác động môi trường.

Hệ thống không dây quang học sử dụng các nguồn laser vốn đã tiết kiệm năng lượng và có thể hoạt động ở tốc độ cao mà không cần khuếch đại phức tạp. Do đó, năng lượng cần thiết để truyền từng bit dữ liệu thấp hơn đáng kể so với các hệ thống Wi-Fi thông thường. Các nhà nghiên cứu đã đo mức sử dụng năng lượng khoảng 1,4 nanojoules mỗi bit, khoảng một nửa so với các công nghệ Wi-Fi hàng đầu trong điều kiện tương tự.

Một bổ sung cho các mạng không dây hiện có

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng truyền thông không dây quang học không có nghĩa là để thay thế Wi-Fi hoặc mạng di động. Thay vào đó, nó có thể hoạt động bên cạnh họ. Các liên kết quang học có thể được triển khai trong không gian trong nhà, nơi cần dung lượng dữ liệu cao, giúp giảm tắc nghẽn trong các mạng dựa trên radio.

Nhìn về phía trước, các hệ thống tương tự có thể được tích hợp vào các thiết bị chiếu sáng, trần nhà hoặc điểm truy cập, cung cấp các kết nối nhanh, an toàn và tiết kiệm năng lượng cho nhiều người dùng cùng một lúc. Bằng cách kết hợp các mảng laser nhỏ gọn, truyền dữ liệu tốc độ cao và điều khiển quang học chính xác, cách tiếp cận này cung cấp một con đường thực tế hướng tới các mạng không dây trong nhà thế hệ tiếp theo mang lại hiệu suất cao hơn mà không làm tăng tiêu thụ năng lượng./.