En ny type terahertz-multiplekser har fordoblet datakapaciteten og væsentligt forbedret 6G-kommunikation med hidtil uset båndbredde og lavt datatab.
Forskere har introduceret en terahertz-multiplexer med superbredbånd, der fordobler datakapaciteten og bringer revolutionerende fremskridt til 6G og videre. (Billedkilde: Getty Images)
Næste generation af trådløs kommunikation, repræsenteret af terahertz-teknologi, lover at revolutionere datatransmission.
Disse systemer fungerer ved terahertz-frekvenser og tilbyder uovertruffen båndbredde til ultrahurtig datatransmission og kommunikation. For fuldt ud at realisere dette potentiale skal betydelige tekniske udfordringer overvindes, især med hensyn til at styre og effektivt udnytte det tilgængelige spektrum.
Et banebrydende fremskridt har adresseret denne udfordring: den første ultra-bredbåndsintegrerede terahertz-polarisations-(de)multiplexer realiseret på en substratfri siliciumplatform.
Dette innovative design er rettet mod sub-terahertz J-båndet (220-330 GHz) og har til formål at transformere kommunikation til 6G og videre. Enheden fordobler effektivt datakapaciteten, samtidig med at den opretholder en lav datatabshastighed, hvilket baner vejen for effektive og pålidelige trådløse højhastighedsnetværk.
Holdet bag denne milepæl omfatter professor Withawat Withayachumnankul fra University of Adelaides School of Electrical and Mechanical Engineering, Dr. Weijie Gao, nu postdoc-forsker ved Osaka University, og professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul udtalte: "Den foreslåede polarisationsmultiplekser tillader, at flere datastrømme kan transmitteres samtidigt inden for det samme frekvensbånd, hvilket effektivt fordobler datakapaciteten." Den relative båndbredde opnået af enheden er uden fortilfælde på tværs af ethvert frekvensområde, hvilket repræsenterer et betydeligt spring for integrerede multipleksere.
Polarisationsmultipleksere er essentielle i moderne kommunikation, da de gør det muligt for flere signaler at dele det samme frekvensbånd, hvilket væsentligt forbedrer kanalkapaciteten.
Den nye enhed opnår dette ved at bruge koniske retningskoblinger og anisotropisk effektiv mellembeklædning. Disse komponenter forbedrer polarisationsdobbeltbrydningen, hvilket resulterer i et højt polarisationsekstinktionsforhold (PER) og bred båndbredde - nøglekarakteristika for effektive terahertz-kommunikationssystemer.
I modsætning til traditionelle designs, der er afhængige af komplekse og frekvensafhængige asymmetriske bølgeledere, anvender den nye multiplekser anisotropisk beklædning med kun en lille frekvensafhængighed. Denne tilgang udnytter fuldt ud den rigelige båndbredde, som de koniske koblere giver.
Resultatet er en fraktioneret båndbredde tæt på 40 %, en gennemsnitlig PER på mere end 20 dB og et minimalt indsættelsestab på ca. 1 dB. Disse præstationsmålinger overgår langt dem for eksisterende optiske og mikrobølgedesigns, som ofte lider under smal båndbredde og stort tab.
Forskerholdets arbejde øger ikke kun effektiviteten af terahertz-systemer, men lægger også grunden til en ny æra inden for trådløs kommunikation. Dr. Gao bemærkede, "Denne innovation er en vigtig drivkraft i at frigøre potentialet i terahertz-kommunikation." Applikationer omfatter high-definition videostreaming, augmented reality og næste generations mobilnetværk som 6G.
Traditionelle terahertz-polarisationsstyringsløsninger, såsom ortogonal-mode-transducere (OMT'er) baseret på rektangulære metalbølgeledere, står over for betydelige begrænsninger. Metalbølgeledere oplever øgede ohmske tab ved højere frekvenser, og deres fremstillingsprocesser er komplekse på grund af strenge geometriske krav.
Optiske polarisationsmultipleksere, inklusive dem, der bruger Mach-Zehnder-interferometre eller fotoniske krystaller, tilbyder bedre integrerbarhed og lavere tab, men kræver ofte afvejninger mellem båndbredde, kompaktitet og fremstillingskompleksitet.
Retningsbestemte koblere er meget udbredt i optiske systemer og kræver stærk polarisationsdobbeltbrydning for at opnå kompakt størrelse og høj PER. De er dog begrænset af smal båndbredde og følsomhed over for fremstillingstolerancer.
Den nye multiplexer kombinerer fordelene ved koniske retningskoblinger og effektiv mellembeklædning, og overvinder disse begrænsninger. Den anisotrope beklædning udviser betydelig dobbeltbrydning, hvilket sikrer høj PER over en bred båndbredde. Dette designprincip markerer en afvigelse fra traditionelle metoder og giver en skalerbar og praktisk løsning til terahertz-integration.
Eksperimentel validering af multiplekseren bekræftede dens exceptionelle ydeevne. Enheden fungerer effektivt i 225-330 GHz-området og opnår en fraktioneret båndbredde på 37,8 %, samtidig med at en PER opretholdes over 20 dB. Dens kompakte størrelse og kompatibilitet med standard fremstillingsprocesser gør den velegnet til masseproduktion.
Dr. Gao bemærkede, "Denne innovation øger ikke kun effektiviteten af terahertz kommunikationssystemer, men baner også vejen for mere kraftfulde og pålidelige trådløse højhastighedsnetværk."
De potentielle anvendelser af denne teknologi strækker sig ud over kommunikationssystemer. Ved at forbedre spektrumudnyttelsen kan multiplekseren drive fremskridt inden for områder som radar, billeddannelse og tingenes internet. "Inden for et årti forventer vi, at disse terahertz-teknologier bliver bredt vedtaget og integreret på tværs af forskellige industrier," sagde professor Withayachumnankul.
Multiplexeren kan også integreres problemfrit med tidligere stråleformende enheder udviklet af teamet, hvilket muliggør avancerede kommunikationsfunktioner på en samlet platform. Denne kompatibilitet fremhæver alsidigheden og skalerbarheden af den effektive mellemklædte dielektriske bølgelederplatform.
Holdets forskningsresultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Laser & Photonic Reviews, der understreger deres betydning for at fremme fotonisk terahertz-teknologi. Professor Fujita bemærkede: "Ved at overvinde kritiske tekniske barrierer forventes denne innovation at stimulere interesse og forskningsaktivitet på området."
Forskerne forventer, at deres arbejde vil inspirere til nye applikationer og yderligere teknologiske forbedringer i de kommende år, hvilket i sidste ende vil føre til kommercielle prototyper og produkter.
Denne multiplexer repræsenterer et væsentligt skridt fremad i at frigøre potentialet for terahertz-kommunikation. Det sætter en ny standard for integrerede terahertz-enheder med sine hidtil usete præstationsmålinger.
Efterhånden som efterspørgslen efter højhastighedskommunikationsnetværk med høj kapacitet fortsætter med at vokse, vil sådanne innovationer spille en afgørende rolle i at forme fremtiden for trådløs teknologi.
Indlægstid: 16. december 2024