Egy új típusú terahertzes multiplexer megduplázta az adatkapacitást, és jelentősen javította a 6G kommunikációt példátlan sávszélességgel és alacsony adatveszteséggel.
A kutatók bemutattak egy szuperszéles sávú terahertzes multiplexert, amely megduplázza az adatkapacitást, és forradalmi előrelépést hoz a 6G-be és azon túl. (Kép forrása: Getty Images)
A terahertzes technológia által képviselt következő generációs vezeték nélküli kommunikáció forradalmasítani fogja az adatátvitelt.
Ezek a rendszerek terahertzes frekvenciákon működnek, páratlan sávszélességet kínálva az ultragyors adatátvitelhez és kommunikációhoz. Ennek a potenciálnak a teljes kiaknázásához azonban jelentős technikai kihívásokat kell leküzdeni, különösen a rendelkezésre álló spektrum kezelése és hatékony kihasználása terén.
Egy úttörő előrelépés válaszolt erre a kihívásra: az első ultraszéles sávú integrált terahertzes polarizációs (de)multiplexer, amelyet szubsztrátmentes szilícium platformon valósítottak meg.
Ez az innovatív kialakítás a szubterahertzes J sávot (220-330 GHz) célozza meg, és célja a kommunikáció átalakítása a 6G-n és azon túl. Az eszköz hatékonyan megduplázza az adatkapacitást, miközben alacsony adatvesztési arányt tart fenn, utat nyitva a hatékony és megbízható nagysebességű vezeték nélküli hálózatok számára.
A mérföldkő mögött álló csapat tagjai Withawat Withayachumnankul professzor az Adelaide-i Egyetem Villamosmérnöki és Gépészmérnöki Karáról, Dr. Weijie Gao, aki jelenleg posztdoktori kutató az Oszakai Egyetemen, valamint Masayuki Fujita professzor.
Withayachumnankul professzor kijelentette: „A javasolt polarizációs multiplexer lehetővé teszi több adatfolyam egyidejű továbbítását ugyanazon a frekvenciasávon belül, gyakorlatilag megduplázva az adatkapacitást.” Az eszköz által elért relatív sávszélesség minden frekvenciatartományban példa nélküli, ami jelentős ugrást jelent az integrált multiplexerek számára.
A polarizációs multiplexerek elengedhetetlenek a modern kommunikációban, mivel lehetővé teszik, hogy több jel ugyanazon a frekvenciasávon ossza meg a csatornát, jelentősen növelve ezzel a kapacitást.
Az új eszköz ezt kúpos iránycsatolók és anizotróp effektív közegburkolat alkalmazásával éri el. Ezek az alkatrészek fokozzák a polarizáció kettős törést, ami magas polarizációs kioltási arányt (PER) és széles sávszélességet eredményez – ezek a hatékony terahertzes kommunikációs rendszerek kulcsfontosságú jellemzői.
A hagyományos, komplex és frekvenciafüggő aszimmetrikus hullámvezetőkre épülő kialakításokkal ellentétben az új multiplexer anizotróp burkolatot alkalmaz, amelynek csak kis frekvenciafüggése van. Ez a megközelítés teljes mértékben kihasználja a kúpos csatolók által biztosított bőséges sávszélességet.
Az eredmény egy közel 40%-os relatív sávszélesség, egy 20 dB-t meghaladó átlagos PER és egy körülbelül 1 dB-es minimális beiktatási veszteség. Ezek a teljesítménymutatók messze felülmúlják a meglévő optikai és mikrohullámú tervek eredményeit, amelyek gyakran szűk sávszélességgel és magas veszteséggel küzdenek.
A kutatócsoport munkája nemcsak a terahertzes rendszerek hatékonyságát növeli, hanem egy új korszak alapjait is lefekteti a vezeték nélküli kommunikációban. Dr. Gao megjegyezte: „Ez az innováció kulcsfontosságú a terahertzes kommunikációban rejlő lehetőségek kiaknázásában.” Az alkalmazások közé tartozik a nagyfelbontású videó streaming, a kiterjesztett valóság és a következő generációs mobilhálózatok, mint például a 6G.
A hagyományos terahertzes polarizációkezelési megoldások, mint például a téglalap alakú fémhullámvezetőkön alapuló ortogonális módusú átalakítók (OMT), jelentős korlátokkal szembesülnek. A fémhullámvezetők magasabb frekvenciákon megnövekedett ohmikus veszteségeket szenvednek el, és gyártási folyamataik összetettek a szigorú geometriai követelmények miatt.
Az optikai polarizációs multiplexerek, beleértve a Mach-Zehnder interferométereket vagy fotonikus kristályokat használókat is, jobb integrálhatóságot és alacsonyabb veszteségeket kínálnak, de gyakran kompromisszumokat igényelnek a sávszélesség, a kompakt méret és a gyártási bonyolultság között.
Az iránycsatolókat széles körben használják optikai rendszerekben, és erős polarizációs kettős törést igényelnek a kompakt méret és a magas PER eléréséhez. Azonban korlátozza őket a szűk sávszélesség és a gyártási tűréshatárokra való érzékenység.
Az új multiplexer ötvözi a kúpos iránycsatolók és a hatékony közegburkolat előnyeit, leküzdve ezeket a korlátokat. Az anizotróp burkolat jelentős kettős törést mutat, biztosítva a magas PER-értéket széles sávszélességen. Ez a tervezési elv eltér a hagyományos módszerektől, és skálázható és praktikus megoldást kínál a terahertzes integrációhoz.
A multiplexer kísérleti validálása megerősítette kivételes teljesítményét. Az eszköz hatékonyan működik a 225-330 GHz-es tartományban, 37,8%-os relatív sávszélességet ér el, miközben a PER értéke 20 dB felett van. Kompakt mérete és a szabványos gyártási eljárásokkal való kompatibilitása alkalmassá teszi tömeggyártásra.
Dr. Gao megjegyezte: „Ez az innováció nemcsak a terahertzes kommunikációs rendszerek hatékonyságát növeli, hanem utat nyit a hatékonyabb és megbízhatóbb nagysebességű vezeték nélküli hálózatok előtt is.”
A technológia lehetséges alkalmazásai túlmutatnak a kommunikációs rendszereken. A spektrumkihasználás javításával a multiplexer olyan területeken is előrelépéseket hozhat, mint a radar, a képalkotás és a dolgok internete. „Egy évtizeden belül arra számítunk, hogy ezek a terahertzes technológiák széles körben elterjednek és integrálódnak a különböző iparágakban” – jelentette ki Withayachumnankul professzor.
A multiplexer zökkenőmentesen integrálható a csapat által korábban fejlesztett nyalábformáló eszközökkel, lehetővé téve a fejlett kommunikációs funkciókat egy egységes platformon. Ez a kompatibilitás kiemeli a hatékony, közepes bevonatú dielektromos hullámvezető platform sokoldalúságát és skálázhatóságát.
A csapat kutatási eredményeit a Laser & Photonic Reviews folyóiratban tették közzé, hangsúlyozva azok jelentőségét a fotonikus terahertzes technológia fejlesztésében. Fujita professzor megjegyezte: „A kritikus technikai akadályok leküzdésével ez az innováció várhatóan felkelti az érdeklődést és a kutatási tevékenységet a területen.”
A kutatók arra számítanak, hogy munkájuk új alkalmazásokat és további technológiai fejlesztéseket fog inspirálni az elkövetkező években, ami végső soron kereskedelmi prototípusokhoz és termékekhez vezet.
Ez a multiplexer jelentős lépést jelent a terahertzes kommunikációban rejlő lehetőségek kiaknázása felé. Páratlan teljesítménymutatóival új mércét állít fel az integrált terahertzes eszközök számára.
Ahogy a nagy sebességű, nagy kapacitású kommunikációs hálózatok iránti igény folyamatosan növekszik, az ilyen innovációk kulcsszerepet játszanak majd a vezeték nélküli technológia jövőjének alakításában.
Közzététel ideje: 2024. dec. 16.