Nowy typ multipleksera terahercowego podwoił przepustowość danych i znacząco udoskonalił komunikację 6G, zapewniając niespotykaną dotąd przepustowość i niską utratę danych.
Naukowcy opracowali superszerokopasmowy multiplekser terahercowy, który podwaja przepustowość danych i wprowadza rewolucyjne zmiany w sieciach 6G i nowszych. (Źródło zdjęcia: Getty Images)
Bezprzewodowa komunikacja nowej generacji, oparta na technologii terahercowej, obiecuje zrewolucjonizować transmisję danych.
Systemy te działają w częstotliwościach terahercowych, oferując niezrównaną przepustowość dla ultraszybkiej transmisji danych i komunikacji. Jednak aby w pełni wykorzystać ten potencjał, konieczne jest pokonanie istotnych wyzwań technicznych, w szczególności w zakresie zarządzania i efektywnego wykorzystania dostępnego pasma.
Przełomowe osiągnięcie pozwoliło na rozwiązanie tego problemu: pierwszy zintegrowany terahercowy (de)multiplekser polaryzacji o ultraszerokim paśmie zrealizowany na platformie krzemowej bez podłoża.
Ta innowacyjna konstrukcja jest ukierunkowana na pasmo J subterahercowe (220-330 GHz) i ma na celu transformację komunikacji w standardzie 6G i nowszych. Urządzenie efektywnie podwaja przepustowość danych, utrzymując jednocześnie niski wskaźnik utraty danych, torując drogę do wydajnych i niezawodnych, szybkich sieci bezprzewodowych.
W skład zespołu stojącego 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, co skutecznie podwaja przepustowość transmisji danych”. Względna szerokość pasma osiągnięta przez to urządzenie jest bezprecedensowa w żadnym zakresie częstotliwości, co stanowi znaczący krok naprzód w zakresie zintegrowanych multiplekserów.
Multipleksery polaryzacyjne odgrywają istotną rolę w nowoczesnej komunikacji, gdyż umożliwiają współdzielenie pasma częstotliwości przez wiele sygnałów, co znacznie zwiększa przepustowość kanału.
Nowe urządzenie osiąga ten cel dzięki zastosowaniu stożkowych sprzęgaczy kierunkowych i anizotropowego płaszcza o efektywnym medium. Komponenty te zwiększają dwójłomność polaryzacji, co przekłada się na wysoki współczynnik ekstynkcji polaryzacji (PER) i szerokie pasmo przenoszenia – kluczowe cechy wydajnych systemów komunikacji terahercowej.
W przeciwieństwie do tradycyjnych projektów, które opierają się na złożonych i zależnych od częstotliwości asymetrycznych falowodach, nowy multiplekser wykorzystuje anizotropowy płaszcz z jedynie niewielką zależnością częstotliwościową. To podejście w pełni wykorzystuje szerokie pasmo przenoszenia zapewniane przez sprzęgacze stożkowe.
Rezultatem jest pasmo przenoszenia bliskie 40%, średni współczynnik PER przekraczający 20 dB i minimalna tłumienność wtrąceniowa wynosząca około 1 dB. Te parametry wydajności znacznie przewyższają parametry istniejących konstrukcji optycznych i mikrofalowych, które często charakteryzują się wąską przepustowością i wysokimi stratami.
Prace zespołu badawczego nie tylko zwiększają wydajność systemów terahercowych, ale także kładą podwaliny pod nową erę w komunikacji bezprzewodowej. Dr Gao zauważył: „Ta innowacja jest kluczowym czynnikiem w uwalnianiu potencjału komunikacji terahercowej”. Zastosowania obejmują strumieniowe przesyłanie wideo w wysokiej rozdzielczości, rzeczywistość rozszerzoną oraz sieci komórkowe nowej generacji, takie jak 6G.
Tradycyjne rozwiązania zarządzania polaryzacją terahercową, takie jak przetworniki modów ortogonalnych (OMT) oparte na prostokątnych metalowych falowodach, napotykają na istotne ograniczenia. Metalowe falowody 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, oferują lepszą całkowalność i niższe straty, ale często wymagają kompromisów pomiędzy szerokością pasma, kompaktowością i złożonością produkcji.
Sprzęgacze kierunkowe są szeroko stosowane w systemach optycznych i wymagają silnej dwójłomności polaryzacyjnej, aby osiągnąć kompaktowe rozmiary i wysoki współczynnik PER. Ogranicza je jednak wąska szerokość pasma i wrażliwość na tolerancje produkcyjne.
Nowy multiplekser łączy zalety stożkowych sprzęgaczy kierunkowych i efektywnego płaszcza medium, przezwyciężając te ograniczenia. Płaszcz anizotropowy charakteryzuje się znaczną dwójłomnością, zapewniając wysoki współczynnik PER w szerokim paśmie. Ta zasada projektowania stanowi odejście od tradycyjnych metod, oferując skalowalne i praktyczne rozwiązanie do integracji terahercowej.
Testy eksperymentalne multipleksera potwierdziły jego wyjątkową wydajność. Urządzenie pracuje wydajnie w zakresie częstotliwości 225–330 GHz, osiągając ułamkową szerokość pasma na poziomie 37,8% przy jednoczesnym zachowaniu współczynnika PER powyżej 20 dB. Kompaktowe rozmiary i kompatybilność ze standardowymi procesami produkcyjnymi sprawiają, że nadaje się ono do produkcji masowej.
Dr Gao zauważył: „Ta innowacja nie tylko zwiększa wydajność systemów komunikacji terahercowej, ale także toruje drogę do wydajniejszych i bardziej niezawodnych, szybkich sieci bezprzewodowych”.
Potencjalne zastosowania tej technologii wykraczają poza systemy komunikacyjne. Dzięki lepszemu wykorzystaniu widma, multiplekser może napędzać postęp w takich dziedzinach jak radary, obrazowanie i Internet Rzeczy. „Oczekujemy, że w ciągu dekady technologie terahercowe zostaną powszechnie przyjęte i zintegrowane w różnych branżach” – stwierdził profesor Withayachumnankul.
Multiplekser można również bezproblemowo zintegrować z wcześniejszymi urządzeniami kształtującymi wiązkę opracowanymi przez zespół, umożliwiając zaawansowane funkcje komunikacyjne na ujednoliconej platformie. Ta kompatybilność podkreśla wszechstronność i skalowalność efektywnej platformy falowodów dielektrycznych w warstwie medium-clad.
Wyniki badań zespołu zostały opublikowane w czasopiśmie „Laser & Photonic Reviews”, podkreślając ich znaczenie dla rozwoju technologii fotonicznej wykorzystującej teraherc. Profesor Fujita zauważył: „Oczekuje się, że ta innowacja, pokonując krytyczne bariery techniczne, 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 odkrywaniu potencjału komunikacji terahercowej. Wyznacza nowy standard dla zintegrowanych urządzeń terahercowych dzięki swoim niespotykanym dotąd parametrom wydajności.
W miarę jak rośnie zapotrzebowanie na sieci komunikacyjne o dużej prędkości i przepustowości, tego typu innowacje będą odgrywać kluczową rolę w kształtowaniu przyszłości technologii bezprzewodowej.
Czas publikacji: 16 grudnia 2024 r.