Nền tảng nhỏ gọn, kích thước chip, tích hợp mảng VCSEL 5x5 và hệ thống quang học định hình chùm tia tùy chỉnh để tạo ra một lưới cấu trúc gồm các điểm vuông đồng nhất. Nguồn ảnh: H. Safi (Đại học Cambridge)

Mạng không dây 360 Gbps được hỗ trợ bởi laser

Kết nối không dây nhanh và đáng tin cậy là điều thiết yếu trong cuộc sống hàng ngày. Cuộc gọi video, phát trực tuyến, thực tế ảo và các thiết bị kết nối đều phụ thuộc vào các mạng lưới vốn đã chịu tải nặng. Ngày nay, hầu hết các giao tiếp không dây đều dựa trên các công nghệ dựa trên sóng radio như Wi-Fi và mạng di động. Mặc dù các hệ thống này đã cho phép kết nối toàn cầu, nhưng chúng đang gặp phải những thách thức ngày càng tăng như tần số vô tuyến bị tắc nghẽn, nhiễu tín hiệu trong môi trường trong nhà đông đúc và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng khi có nhiều thiết bị trực tuyến hơn.

Một giải pháp mới nổi là truyền thông không dây quang học, sử dụng ánh sáng thay vì sóng radio để truyền dữ liệu. Ánh sáng cung cấp băng thông khả dụng lớn hơn đáng kể, tránh gây nhiễu với các hệ thống không dây hiện có và có thể được định hướng với độ chính xác cao. Những ưu điểm này làm cho nó đặc biệt hấp dẫn đối với các không gian trong nhà như văn phòng, nhà ở, bệnh viện, trung tâm dữ liệu và các địa điểm công cộng nơi nhiều người dùng cần kết nối nhanh cùng một lúc.

Trong một nghiên cứu được công bố trên Tạp chí Advanced Photonics Nexus, các nhà nghiên cứu đã phát triển một bộ phát không dây quang học nhỏ gọn, cung cấp cả tốc độ cực cao và hiệu quả năng lượng được cải thiện. Hệ thống này được xây dựng dựa trên một con chip nhỏ chứa một mảng các laser bán dẫn, kết hợp với thiết kế quang học kiểm soát cẩn thận cách phân bố ánh sáng. Cùng nhau, các thành phần này tạo ra một nền tảng có khả năng mở rộng cho truyền thông không dây trong nhà dung lượng cao.

Mảng laser siêu nhỏ gửi đi lượng dữ liệu khổng lồ

Cốt lõi của hệ thống là một mảng laser phát xạ bề mặt khoang dọc 5 × 5 được thiết kế riêng, gọi là VCSEL. Các 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 khả năng hoạt động ở tốc độ rất cao. Chúng cũng có thể được sản xuất thành các mảng lớn bằng các phương pháp chế tạo bán dẫn tiêu chuẩn.

Mỗi laser trong mảng có thể được điều khiển độc lập và truyền tải luồng dữ liệu riêng. Bằng cách vận hành nhiều laser cùng lúc, hệ thống làm tăng đáng kể dung lượng dữ liệu tổng thể so với một nguồn sáng đơn lẻ. Toàn bộ mảng laser nằm gọn trên một con chip nhỏ hơn một milimét, khiến nó phù hợp với các điểm truy cập không dây nhỏ gọn và có tiềm năng đủ nhỏ để tích hợp vào các thiết bị như điện thoại thông minh.

Các nhà nghiên cứu đã chế tạo con chip này bằng các kỹ thuật bán dẫn đã được thiết lập và gắn nó lên một bảng mạch tùy chỉnh. Các thử nghiệm ban đầu cho thấy hiệu suất ổn định trên toàn bộ mảng, với đầu ra ổn định và hỗ trợ truyền dữ liệu tốc độ cao.

Tốc độ không dây quang học phá kỷ lục

Để thử nghiệm hệ thống, nhóm nghiên cứu đã tạo ra một liên kết quang học không gian tự do trải dài hai mét. Mỗi laser truyền dữ liệu bằng phương pháp điều chế chia thông tin thành nhiều kênh tần số gần nhau. Cách tiếp cận này tối đa hóa hiệu quả băng thông và thích ứng với những thay đổi về chất lượng tín hiệu.

Trong số 25 laser, 21 laser hoạt động trong quá trình thử nghiệm. Tốc độ truyền dữ liệu của từng laser đạt khoảng từ 13 đến 19 gigabit mỗi giây. Kết hợp lại, hệ thống đạt tổng tốc độ truyền dữ liệu là 362,7 gigabit mỗi giây. Đây là một trong những tốc độ cao nhất được ghi nhận đối với bộ phát không dây quang học kích thước chip kết hợp với bộ thu không gian tự do.

Các nhà nghiên cứu lưu ý rằng hiệu suất bị hạn chế bởi băng thông của bộ tách sóng quang thương mại được sử dụng trong thí nghiệm. Với các bộ thu tiên tiến hơn, hệ thống tương tự có thể đạt được tốc độ cao hơn nữa.

Điều chỉnh ánh sáng cho kết nối nhiều người dùng

Việc sử dụng nhiều chùm tia sáng cùng một lúc đặt ra một thách thức quan trọng: ngăn ngừa sự chồng chéo có thể gây nhiễu. Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã thiết kế một hệ thống quang học có khả năng định hình và điều hướng chính xác từng chùm tia.

Đầu tiên, một mảng thấu kính siêu nhỏ sẽ căn chỉnh và làm thẳng ánh sáng từ mỗi tia laser. Sau đó, các thấu kính bổ sung sẽ sắp xếp các chùm tia thành một lưới cấu trúc gồm các vùng chiếu sáng hình vuông trên bề mặt thu. Bố cục này đảm bảo rằng mỗi chùm tia bao phủ một vùng cụ thể với sự chồng chéo tối thiểu.

Các thử nghiệm cho thấy sự phân bố ánh sáng đạt độ đồng đều hơn 90% trên toàn khu vực được chiếu sáng ở khoảng cách hai mét. Cách tiếp cận có cấu trúc này cho phép gán các chùm tia khác nhau cho những người dùng hoặc thiết bị khác nhau trong cùng một phòng.

Nhóm nghiên cứu cũng đã chứng minh khả năng hỗ trợ nhiều người dùng bằng cách kích hoạt đồng thời nhiều tia laser. Trong một thử nghiệm với bốn chùm tia đồng thời, mỗi kết nối vẫn ổn định, cung cấp tốc độ truyền dữ liệu kết hợp khoảng 22 gigabit mỗi giây. Kết quả này khẳng định rằng nhiều liên kết quang học có thể hoạt động cùng lúc mà không gây nhiễu đáng kể.

Tiêu thụ năng lượng ít hơn so với Wi-Fi

Việc nâng cao hiệu quả năng lượng là vô cùng quan trọng khi nhu cầu truyền dữ liệu không dây tiếp tục tăng cao. Các hệ thống dựa trên sóng radio truyền thống cần nhiều năng lượng hơn để hỗ trợ tốc độ cao hơn, làm tăng cả chi phí và tác động đến môi trường.

Hệ thống truyền dẫn không dây quang học sử dụng các nguồn laser vốn có hiệu suất năng lượng cao và có khả năng hoạt động tốc độ cao mà không cần các yêu cầu năng lượng phức tạp. Do đó, nó tiêu thụ ít năng lượng hơn nhiều trên mỗi bit dữ liệu được truyền so với các hệ thống Wi-Fi thông thường. Các phép đo cho thấy mức tiêu thụ năng lượng khoảng 1,4 nanojoule trên mỗi bit, bằng khoảng một nửa so với các công nghệ Wi-Fi hàng đầu trong điều kiện tương tự.

Bổ sung cho các mạng lưới hiện có

Các nhà nghiên cứu nhấn mạnh rằng công nghệ không dây quang học không nhằm mục đích thay thế Wi-Fi hoặc mạng di động. Thay vào đó, nó có thể hoạt động song song với chúng, xử lý lưu lượng dữ liệu dung lượng cao trong môi trường trong nhà và giảm tắc nghẽn trên các hệ thống dựa trên sóng radio.

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