En ny type terahertz-multiplekser har doblet datakapasiteten og forbedret 6G-kommunikasjon betydelig med enestående båndbredde og lavt datatap.
Forskere har introdusert en superbredbånds-terahertz-multiplekser som dobler datakapasiteten og bringer revolusjonerende fremskritt til 6G og utover. (Bildekilde: Getty Images)
Neste generasjons trådløs kommunikasjon, representert ved terahertz-teknologi, lover å revolusjonere dataoverføring.
Disse systemene opererer på terahertz-frekvenser, og tilbyr enestående båndbredde for ultrarask dataoverføring og kommunikasjon. For å realisere dette potensialet fullt ut, må imidlertid betydelige tekniske utfordringer overvinnes, spesielt når det gjelder å administrere og effektivt utnytte det tilgjengelige spekteret.
Et banebrytende fremskritt har løst denne utfordringen: den første ultrabredbåndsintegrerte terahertz-polarisasjons(de)multiplekseren realisert på en substratfri silisiumplattform.
Denne innovative designen er rettet mot subterahertz J-båndet (220–330 GHz) og har som mål å transformere kommunikasjon for 6G og utover. Enheten dobler effektivt datakapasiteten samtidig som den opprettholder en lav datataprate, noe som baner vei for effektive og pålitelige trådløse høyhastighetsnettverk.
Teamet bak denne milepælen inkluderer professor Withawat Withayachumnankul fra University of Adelaides School of Electrical and Mechanical Engineering, dr. Weijie Gao, nå postdoktor ved Osaka University, og professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul uttalte: «Den foreslåtte polarisasjonsmultiplekseren tillater at flere datastrømmer overføres samtidig innenfor samme frekvensbånd, noe som effektivt dobler datakapasiteten.» Den relative båndbredden som oppnås av enheten er enestående på tvers av noe frekvensområde, noe som representerer et betydelig sprang for integrerte multipleksere.
Polarisasjonsmultipleksere er essensielle i moderne kommunikasjon, ettersom de gjør det mulig for flere signaler å dele samme frekvensbånd, noe som forbedrer kanalkapasiteten betydelig.
Den nye enheten oppnår dette ved å bruke koniske retningskoplere og anisotropisk effektiv mediumkledning. Disse komponentene forbedrer polarisasjonsdobbeltbrytningen, noe som resulterer i et høyt polarisasjonsutslettelsesforhold (PER) og bred båndbredde – viktige egenskaper ved effektive terahertz-kommunikasjonssystemer.
I motsetning til tradisjonelle design som er avhengige av komplekse og frekvensavhengige asymmetriske bølgeledere, bruker den nye multiplekseren anisotropisk kledning med bare liten frekvensavhengighet. Denne tilnærmingen utnytter fullt ut den store båndbredden som tilbys av de koniske koblerne.
Resultatet er en brøkdel av båndbredden nær 40 %, en gjennomsnittlig PER som overstiger 20 dB, og et minimum innsettingstap på omtrent 1 dB. Disse ytelsesmålingene overgår langt de for eksisterende optiske og mikrobølgedesign, som ofte lider av smal båndbredde og høyt tap.
Forskningsteamets arbeid forbedrer ikke bare effektiviteten til terahertz-systemer, men legger også grunnlaget for en ny æra innen trådløs kommunikasjon. Dr. Gao bemerket: «Denne innovasjonen er en viktig driver for å frigjøre potensialet til terahertz-kommunikasjon.» Bruksområder inkluderer HD-videostrømming, utvidet virkelighet og neste generasjons mobilnettverk som 6G.
Tradisjonelle terahertz-polarisasjonshåndteringsløsninger, som ortogonale modustransdusere (OMT-er) basert på rektangulære metallbølgeledere, står overfor betydelige begrensninger. Metallbølgeledere opplever økte ohmske tap ved høyere frekvenser, og produksjonsprosessene deres er komplekse på grunn av strenge geometriske krav.
Optiske polarisasjonsmultipleksere, inkludert de som bruker Mach-Zehnder-interferometre eller fotoniske krystaller, tilbyr bedre integrerbarhet og lavere tap, men krever ofte avveininger mellom båndbredde, kompakthet og produksjonskompleksitet.
Retningskoblere er mye brukt i optiske systemer og krever sterk polarisasjonsdobbeltbrytning for å oppnå kompakt størrelse og høy PER. De er imidlertid begrenset av smal båndbredde og følsomhet for produksjonstoleranser.
Den nye multiplekseren kombinerer fordelene med koniske retningskoplere og effektiv mediumkledning, og overvinner disse begrensningene. Den anisotropiske kledningen viser betydelig dobbeltbrytning, noe som sikrer høy PER over en bred båndbredde. Dette designprinsippet markerer et avvik fra tradisjonelle metoder, og gir en skalerbar og praktisk løsning for terahertz-integrasjon.
Eksperimentell validering av multiplekseren bekreftet dens eksepsjonelle ytelse. Enheten opererer effektivt i området 225–330 GHz, og oppnår en brøkdel av båndbredden på 37,8 % samtidig som den opprettholder en PER over 20 dB. Den kompakte størrelsen og kompatibiliteten med standard produksjonsprosesser gjør den egnet for masseproduksjon.
Dr. Gao bemerket: «Denne innovasjonen forbedrer ikke bare effektiviteten til terahertz-kommunikasjonssystemer, men baner også vei for kraftigere og mer pålitelige trådløse høyhastighetsnettverk.»
De potensielle bruksområdene for denne teknologien strekker seg utover kommunikasjonssystemer. Ved å forbedre spektrumutnyttelsen kan multiplekseren drive fremskritt innen felt som radar, bildebehandling og tingenes internett. «Innen et tiår forventer vi at disse terahertz-teknologiene vil bli bredt tatt i bruk og integrert på tvers av ulike bransjer», uttalte professor Withayachumnankul.
Multiplekseren kan også integreres sømløst med tidligere stråleformingsenheter utviklet av teamet, noe som muliggjør avanserte kommunikasjonsfunksjoner på en enhetlig plattform. Denne kompatibiliteten fremhever allsidigheten og skalerbarheten til den effektive medium-cladd dielektriske bølgelederplattformen.
Teamets forskningsfunn er publisert i tidsskriftet Laser & Photonic Reviews, og understreker deres betydning for å fremme fotonisk terahertz-teknologi. Professor Fujita bemerket: «Ved å overvinne kritiske tekniske barrierer forventes denne innovasjonen å stimulere interesse og forskningsaktivitet på feltet.»
Forskerne forventer at arbeidet deres vil inspirere til nye bruksområder og ytterligere teknologiske forbedringer i årene som kommer, noe som til slutt vil føre til kommersielle prototyper og produkter.
Denne multiplekseren representerer et betydelig skritt fremover i å frigjøre potensialet til terahertz-kommunikasjon. Den setter en ny standard for integrerte terahertz-enheter med sine enestående ytelsesmålinger.
Etter hvert som etterspørselen etter høyhastighets- og høykapasitetskommunikasjonsnettverk fortsetter å vokse, vil slike innovasjoner spille en avgjørende rolle i å forme fremtiden for trådløs teknologi.
Publisert: 16. desember 2024