En ny type terahertz-multiplekser har doblet datakapasitet og betydelig forbedret 6G-kommunikasjon 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 ved terahertz-frekvenser, og tilbyr uovertruffen båndbredde for ultrarask dataoverføring og kommunikasjon. Men for å realisere dette potensialet fullt ut, må betydelige tekniske utfordringer overvinnes, spesielt når det gjelder å administrere og effektivt utnytte det tilgjengelige spekteret.
Et banebrytende fremskritt har tatt tak i denne utfordringen: den første ultrabredbåndsintegrerte terahertz polarisasjons (de)multiplekseren realisert på en substratfri silisiumplattform.
Denne innovative designen retter seg mot sub-terahertz 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 datataphastighet, og 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 lar flere datastrømmer overføres samtidig innenfor samme frekvensbånd, noe som effektivt dobler datakapasiteten." Den relative båndbredden som oppnås av enheten er enestående over ethvert frekvensområde, og 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 øker kanalkapasiteten betydelig.
Den nye enheten oppnår dette ved å bruke koniske retningskoblinger og anisotropisk effektiv medium kledning. Disse komponentene forbedrer polarisasjonsdobbeltbrytningen, noe som resulterer i et høyt polarisasjonsekstinksjonsforhold (PER) og bred båndbredde – nøkkelegenskaper for 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 de koniske koblerne gir.
Resultatet er en brøkdel av båndbredde nær 40 %, en gjennomsnittlig PER som overstiger 20 dB, og et minimum innsettingstap på omtrent 1 dB. Disse ytelsesmålene overgår langt de for eksisterende optiske og mikrobølgedesign, som ofte lider av smal båndbredde og høyt tap.
Forskergruppens 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 nøkkeldriver for å frigjøre potensialet til terahertz-kommunikasjon." Applikasjoner inkluderer høyoppløselig 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 deres produksjonsprosesser 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, kompaktitet og produksjonskompleksitet.
Retningskoblere er mye brukt i optiske systemer og krever sterk polarisasjonsdobbeltbrytning for å oppnå kompakt størrelse og høy PER. Imidlertid er de begrenset av smal båndbredde og følsomhet for produksjonstoleranser.
Den nye multiplekseren kombinerer fordelene med koniske retningskoblinger og effektiv medium kledning, og overvinner disse begrensningene. Den anisotrope kledningen viser betydelig dobbeltbrytning, og 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 fungerer effektivt i 225-330 GHz-området, og oppnår en brøkdel av båndbredde på 37,8 % samtidig som den opprettholder en PER over 20 dB. Dens kompakte størrelse og kompatibilitet 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 pålitelige trådløse høyhastighetsnettverk."
De potensielle anvendelsene av denne teknologien strekker seg utover kommunikasjonssystemer. Ved å forbedre spektrumutnyttelsen kan multiplekseren drive fremskritt innen felt som radar, bildebehandling og tingenes internett. "I løpet av et tiår forventer vi at disse terahertz-teknologiene vil bli bredt adoptert og integrert på tvers av ulike bransjer," sa professor Withayachumnankul.
Multiplekseren kan også integreres sømløst med tidligere stråleformende enheter utviklet av teamet, noe som muliggjør avanserte kommunikasjonsfunksjoner på en enhetlig plattform. Denne kompatibiliteten fremhever allsidigheten og skalerbarheten til den effektive middels kledde dielektriske bølgelederplattformen.
Teamets forskningsfunn har blitt 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 applikasjoner og ytterligere teknologiske forbedringer i de kommende årene, og til slutt 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.
Ettersom etterspørselen etter høyhastighets kommunikasjonsnettverk med høy kapasitet fortsetter å vokse, vil slike innovasjoner spille en avgjørende rolle i å forme fremtiden for trådløs teknologi.
Innleggstid: 16. desember 2024