Nowy typ multipleksera terahercowego podwoił pojemność danych i znacznie usprawnił komunikację 6G przy niespotykanej przepustowości i niskiej utracie danych.
Naukowcy wprowadzili superszerokopasmowy multiplekser terahercowy, który podwaja pojemność danych i zapewnia rewolucyjny postęp w technologii 6G i nie tylko. (Źródło obrazu: Getty Images)
Komunikacja bezprzewodowa nowej generacji, reprezentowana przez technologię terahercową, może zrewolucjonizować transmisję danych.
Systemy te działają na częstotliwościach terahercowych, oferując niezrównaną przepustowość dla ultraszybkiej transmisji danych i komunikacji. Aby jednak w pełni wykorzystać ten potencjał, należy przezwyciężyć istotne wyzwania techniczne, szczególnie w zakresie zarządzania dostępnym widmem i jego efektywnego wykorzystania.
Przełomowe osiągnięcie pozwoliło stawić czoła temu wyzwaniu: pierwszy ultraszerokopasmowy zintegrowany (de)multiplekser polaryzacji terahercowej zrealizowany na platformie krzemowej pozbawionej podłoża.
Ten innowacyjny projekt jest ukierunkowany na subterahercowe pasmo J (220–330 GHz) i ma na celu transformację komunikacji w sieci 6G i poza nią. Urządzenie skutecznie podwaja pojemność danych, zachowując jednocześnie niski współczynnik utraty danych, torując drogę wydajnym i niezawodnym, szybkim sieciom bezprzewodowym.
W skład zespołu stojącego za tym kamieniem milowym wchodzi profesor Withawat Withayachumnankul ze Szkoły Inżynierii Elektrycznej i Mechanicznej Uniwersytetu w Adelajdzie, dr Weijie Gao, obecnie pracownik naukowy ze stopniem doktora na Uniwersytecie w Osace, oraz profesor Masayuki Fujita.
Profesor Withayachumnankul stwierdził: „Proponowany multiplekser polaryzacyjny umożliwia jednoczesną transmisję wielu strumieni danych w tym samym paśmie częstotliwości, skutecznie podwajając pojemność danych”. Względna szerokość pasma osiągnięta przez urządzenie jest niespotykana w żadnym zakresie częstotliwości, co stanowi znaczący krok w przypadku zintegrowanych multiplekserów.
Multipleksery polaryzacyjne są niezbędne w nowoczesnej komunikacji, ponieważ umożliwiają wielu sygnałom współdzielenie tego samego pasma częstotliwości, co znacznie zwiększa przepustowość kanału.
Nowe urządzenie osiąga to poprzez wykorzystanie stożkowych sprzęgaczy kierunkowych i anizotropowego efektywnego płaszcza średniego. Elementy te zwiększają dwójłomność polaryzacji, co skutkuje wysokim współczynnikiem ekstynkcji polaryzacji (PER) i szerokim pasmem przenoszenia – kluczowymi cechami wydajnych systemów komunikacji terahercowej.
W przeciwieństwie do tradycyjnych konstrukcji, które opierają się na złożonych i zależnych od częstotliwości asymetrycznych falowodach, nowy multiplekser wykorzystuje płaszcz anizotropowy z jedynie niewielką zależnością od częstotliwości. To podejście w pełni wykorzystuje szerokie pasmo zapewniane przez łączniki stożkowe.
Rezultatem jest ułamkowa szerokość pasma bliska 40%, średni PER przekraczający 20 dB i minimalna tłumienność wtrąceniowa wynosząca około 1 dB. Te wskaźniki wydajności znacznie przewyższają istniejące konstrukcje optyczne i mikrofalowe, które często charakteryzują się wąskim pasmem i dużymi stratami.
Praca zespołu badawczego nie tylko zwiększa wydajność systemów terahercowych, ale także kładzie podwaliny pod nową erę komunikacji bezprzewodowej. Dr Gao zauważył: „Ta innowacja jest kluczowym czynnikiem uwalniającym potencjał komunikacji terahercowej”. Zastosowania obejmują strumieniowe przesyłanie wideo w wysokiej rozdzielczości, rzeczywistość rozszerzoną i sieci komórkowe nowej generacji, takie jak 6G.
Tradycyjne rozwiązania do zarządzania polaryzacją terahercową, takie jak przetworniki trybu ortogonalnego (OMT) oparte na prostokątnych metalowych falowodach, napotykają znaczne ograniczenia. Falowody metalowe charakteryzują się zwiększonymi stratami omowymi przy wyższych częstotliwościach, a ich procesy produkcyjne są złożone ze względu na rygorystyczne wymagania geometryczne.
Multipleksery polaryzacji optycznej, w tym te wykorzystujące interferometry Macha-Zehndera lub kryształy fotoniczne, zapewniają lepszą całkowalność i niższe straty, ale często wymagają kompromisów między przepustowością, zwartością i złożonością produkcji.
Sprzęgacze kierunkowe są szeroko stosowane w układach optycznych i wymagają silnej dwójłomności polaryzacji, aby osiągnąć niewielkie rozmiary i wysoki współczynnik PER. Są one jednak ograniczone wąskim pasmem i wrażliwością na tolerancje produkcyjne.
Nowy multiplekser łączy w sobie zalety stożkowych sprzęgaczy kierunkowych i efektywnego płaszcza średniego, pokonując te ograniczenia. Płaszcz anizotropowy wykazuje znaczną dwójłomność, zapewniając wysoki współczynnik PER w szerokim paśmie. Ta zasada projektowania oznacza odejście od tradycyjnych metod, zapewniając skalowalne i praktyczne rozwiązanie do integracji terahercowej.
Walidacja eksperymentalna multipleksera potwierdziła jego wyjątkową wydajność. Urządzenie sprawnie pracuje w zakresie 225-330 GHz osiągając ułamkową szerokość pasma na poziomie 37,8% przy zachowaniu PER powyżej 20 dB. Kompaktowe wymiary i kompatybilność ze standardowymi procesami produkcyjnymi sprawiają, że nadaje się do produkcji masowej.
Dr Gao zauważył: „Ta innowacja nie tylko zwiększa wydajność systemów komunikacji terahercowej, ale także toruje drogę dla wydajniejszych i niezawodnych, szybkich sieci bezprzewodowych”.
Potencjalne zastosowania tej technologii wykraczają poza systemy komunikacyjne. Poprawiając wykorzystanie widma, multiplekser może przyczynić się do postępu w takich dziedzinach, jak radar, obrazowanie i Internet rzeczy. „Spodziewamy się, że w ciągu dekady technologie terahercowe zostaną powszechnie przyjęte i zintegrowane w różnych gałęziach przemysłu” – stwierdził profesor Withayachumnankul.
Multiplekser można również bezproblemowo zintegrować z wcześniejszymi urządzeniami do kształtowania wiązki opracowanymi przez zespół, umożliwiając zaawansowane funkcje komunikacyjne na zunifikowanej platformie. Ta kompatybilność podkreśla wszechstronność i skalowalność efektywnej platformy falowodów dielektrycznych o średnim płaszczu.
Wyniki badań zespołu opublikowano w czasopiśmie Laser & Photonic Reviews, podkreślając ich znaczenie w rozwoju technologii terahercowej fotoniki. Profesor Fujita zauważył: „Oczekuje się, że innowacja ta pobudzi zainteresowanie i działalność badawczą w tej dziedzinie, dzięki pokonaniu krytycznych barier technicznych”.
Naukowcy spodziewają się, że ich prace zainspirują nowe zastosowania i dalsze udoskonalenia technologiczne w nadchodzących latach, co ostatecznie doprowadzi do powstania komercyjnych prototypów i produktów.
Multiplekser ten stanowi znaczący krok naprzód w uwalnianiu potencjału komunikacji terahercowej. Wyznacza nowy standard dla zintegrowanych urządzeń terahercowych dzięki niespotykanym dotąd metrykom wydajności.
Ponieważ zapotrzebowanie na szybkie i wydajne sieci komunikacyjne stale rośnie, tego typu innowacje odegrają kluczową rolę w kształtowaniu przyszłości technologii bezprzewodowej.
Czas publikacji: 16 grudnia 2024 r