Nowy typ multipleksera terahercowego podwoił przepustowość danych i znacznie ulepszył komunikację 6G, zapewniając niespotykaną dotąd przepustowość i niską utratę danych.
Naukowcy wprowadzili superszerokopasmowy multiplekser terahercowy, który podwaja przepustowość danych i wprowadza rewolucyjne udoskonalenia w technologii 6G i nowszych. (Źródło zdjęcia: Getty Images)
Bezprzewodowa komunikacja nowej generacji, oparta na technologii terahercowej, obiecuje zrewolucjonizować transmisję danych.
Te systemy działają na częstotliwościach terahercowych, oferując niezrównaną przepustowość dla ultraszybkiej transmisji danych i komunikacji. Jednak aby w pełni wykorzystać ten potencjał, należy pokonać znaczne wyzwania techniczne, szczególnie w zarządzaniu i efektywnym wykorzystaniu dostępnego widma.
Przełomowe osiągnięcie pozwoliło na rozwiązanie tego problemu: pierwszy zintegrowany terahercowy multiplekser polaryzacyjny o ultraszerokopasmowym paśmie zrealizowany na platformie krzemowej bez podłoża.
Ta innowacyjna konstrukcja jest ukierunkowana na pasmo subterahercowe J (220–330 GHz) i ma na celu transformację komunikacji dla 6G i dalej. Urządzenie skutecznie podwaja przepustowość danych, utrzymując jednocześnie niski współczynnik utraty danych, torując drogę dla wydajnych i niezawodnych szybkich sieci bezprzewodowych.
W skład zespołu, który stoi za tym kamieniem milowym, wchodzą: profesor Withawat Withayachumnankul z Wydziału Inżynierii Elektrycznej i Mechanicznej Uniwersytetu w Adelajdzie, dr Weijie Gao, obecnie badacz podoktorancki 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 przepustowość danych”. Względna szerokość pasma osiągnięta przez urządzenie jest bezprecedensowa w żadnym zakresie częstotliwości, co stanowi znaczący krok naprzód dla zintegrowanych multiplekserów.
Multipleksery polaryzacyjne odgrywają istotną rolę w nowoczesnej komunikacji, gdyż umożliwiają dzielenie tego samego pasma częstotliwości przez wiele sygnałów, co znacznie zwiększa przepustowość kanału.
Nowe urządzenie osiąga to dzięki wykorzystaniu stożkowych sprzęgaczy kierunkowych i anizotropowego efektywnego płaszcza medium. Te komponenty zwiększają dwójłomność polaryzacji, co skutkuje wysokim współczynnikiem wygaszenia polaryzacji (PER) i szerokim pasmem — kluczowymi cechami wydajnych systemów komunikacji terahercowej.
W przeciwieństwie do tradycyjnych projektów, które opierają się na złożonych i zależnych od częstotliwości asymetrycznych falowodach, nowy multiplekser wykorzystuje anizotropowe pokrycie z jedynie niewielką zależnością częstotliwości. To podejście w pełni wykorzystuje dużą szerokość pasma zapewnianą przez sprzęgacze stożkowe.
Rezultatem jest ułamkowa szerokość pasma bliska 40%, średni PER przekraczający 20 dB i minimalna strata wstawiania wynosząca około 1 dB. Te parametry wydajności znacznie przewyższają parametry istniejących projektów optycznych i mikrofalowych, które często cierpią na wąską szerokość pasma i wysokie straty.
Praca zespołu badawczego nie tylko zwiększa wydajność systemów terahercowych, ale także kładzie podwaliny pod nową erę w komunikacji bezprzewodowej. Dr Gao zauważył: „Ta innowacja jest kluczowym czynnikiem w odblokowywaniu potencjału komunikacji terahercowej”. Zastosowania obejmują strumieniowanie wideo w wysokiej rozdzielczości, rozszerzoną rzeczywistość i sieci komórkowe nowej generacji, takie jak 6G.
Tradycyjne rozwiązania zarządzania polaryzacją terahercową, takie jak przetworniki ortogonalne (OMT) oparte na prostokątnych metalowych falowodach, napotykają znaczne ograniczenia. Metalowe falowody doświadczają zwiększonych strat omowych 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, oferują lepszą całkowalność i niższe straty, ale często wymagają kompromisów pomiędzy szerokością pasma, zwartością i złożonością produkcji.
Sprzęgacze kierunkowe są szeroko stosowane w układach optycznych i wymagają silnej dwójłomności polaryzacji, aby osiągnąć kompaktowy rozmiar i wysoki współczynnik PER. Są jednak ograniczone przez wąską szerokość pasma i wrażliwość na tolerancje produkcyjne.
Nowy multiplekser łączy zalety stożkowych sprzęgaczy kierunkowych i efektywnego płaszcza medium, przezwyciężając te ograniczenia. Płaszcz anizotropowy wykazuje znaczną dwójłomność, zapewniając wysoki PER w szerokim paśmie. Ta zasada projektowania oznacza odejście od tradycyjnych metod, zapewniając skalowalne i praktyczne rozwiązanie dla integracji terahercowej.
Eksperymentalna walidacja multipleksera potwierdziła jego wyjątkową wydajność. Urządzenie działa wydajnie w zakresie 225–330 GHz, osiągając ułamkową szerokość pasma 37,8% przy jednoczesnym zachowaniu PER powyżej 20 dB. Jego kompaktowy rozmiar i zgodność 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 otwiera drogę do potężniejszych i bardziej niezawodnych szybkich sieci bezprzewodowych”.
Potencjalne zastosowania tej technologii wykraczają poza systemy komunikacyjne. Poprzez poprawę wykorzystania widma multiplekser może napędzać postęp w takich dziedzinach jak radar, obrazowanie i Internet rzeczy. „W ciągu dekady spodziewamy się, że te technologie terahercowe zostaną szeroko przyjęte i zintegrowane w różnych branżach” — stwierdził profesor Withayachumnankul.
Multiplekser można również bezproblemowo zintegrować z wcześniejszymi urządzeniami formowania wiązki opracowanymi przez zespół, umożliwiając zaawansowane funkcje komunikacyjne na ujednoliconej platformie. Ta zgodność podkreśla wszechstronność i skalowalność efektywnej platformy falowodów dielektrycznych o średnim pokryciu.
Wyniki badań zespołu zostały opublikowane w czasopiśmie Laser & Photonic Reviews, podkreślając ich znaczenie w rozwoju technologii terahercowej fotonicznej. Profesor Fujita zauważył: „Przezwyciężając krytyczne bariery techniczne, oczekuje się, że ta innowacja pobudzi zainteresowanie i aktywność badawczą w tej dziedzinie”.
Naukowcy przewidują, że ich praca zainspiruje nowe zastosowania i dalsze udoskonalenia technologiczne w nadchodzących latach, co ostatecznie doprowadzi do powstania komercyjnych prototypów i produktów.
Ten multiplekser stanowi znaczący krok naprzód w odblokowywaniu potencjału komunikacji terahercowej. Wyznacza nowy standard dla zintegrowanych urządzeń terahercowych dzięki swoim niespotykanym dotąd parametrom wydajności.
W obliczu stale rosnącego zapotrzebowania na sieci komunikacyjne o dużej prędkości i przepustowości, tego typu innowacje będą odgrywać kluczową rolę w kształtowaniu przyszłości technologii bezprzewodowych.
Czas publikacji: 16-12-2024