En ny type terahertz-multiplekser har fordoblet datakapaciteten og forbedret 6G-kommunikation betydeligt med hidtil uset båndbredde og lavt datatab.
Forskere har introduceret en superbredbånds-terahertz-multiplekser, der fordobler datakapaciteten og bringer revolutionerende fremskridt til 6G og derover. (Billedkilde: Getty Images)
Næste generations trådløse kommunikation, repræsenteret ved terahertz-teknologi, lover at revolutionere datatransmission.
Disse systemer opererer ved terahertz-frekvenser og tilbyder uovertruffen båndbredde til ultrahurtig datatransmission og kommunikation. For fuldt ud at realisere dette potentiale skal der dog overvindes betydelige tekniske udfordringer, især med hensyn til at styre og effektivt udnytte det tilgængelige spektrum.
En banebrydende udvikling har adresseret denne udfordring: den første ultrabredbåndsintegrerede terahertz-polarisations(de)multiplexer realiseret på en substratfri siliciumplatform.
Dette innovative design er rettet mod subterahertz J-båndet (220-330 GHz) og har til formål at transformere kommunikationen for 6G og derover. Enheden fordobler effektivt datakapaciteten, samtidig med at den opretholder en lav datatabsrate, 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 transmission af flere datastrømme samtidigt inden for det samme frekvensbånd, hvilket effektivt fordobler datakapaciteten." Den relative båndbredde, som enheden opnår, er hidtil uset på tværs af ethvert frekvensområde, hvilket repræsenterer et betydeligt spring for integrerede multipleksere.
Polarisationsmultipleksere er afgørende i moderne kommunikation, da de gør det muligt for flere signaler at dele det samme frekvensbånd, hvilket forbedrer kanalkapaciteten betydeligt.
Den nye enhed opnår dette ved at anvende koniske retningsbestemte koblere og anisotropisk effektiv mediumbeklædning. Disse komponenter forbedrer polarisationsdobbeltbrydningen, hvilket resulterer i et højt polarisationsudslettelsesforhold (PER) og bred båndbredde – nøgleegenskaber ved effektive terahertz-kommunikationssystemer.
I modsætning til traditionelle designs, der er afhængige af komplekse og frekvensafhængige asymmetriske bølgeledere, anvender den nye multiplexer anisotropisk beklædning med kun en lille frekvensafhængighed. Denne tilgang udnytter fuldt ud den rigelige båndbredde, som de koniske koblere leverer.
Resultatet er en fraktioneret båndbredde tæt på 40%, en gennemsnitlig PER på over 20 dB og et minimum indsættelsestab på cirka 1 dB. Disse ydeevnemålinger overgår langt de eksisterende optiske og mikrobølgedesigns, som ofte lider af smal båndbredde og højt tab.
Forskerholdets arbejde forbedrer ikke blot effektiviteten af terahertz-systemer, men lægger også grunden til en ny æra inden for trådløs kommunikation. Dr. Gao bemærkede: "Denne innovation er en nøgledriver i at frigøre potentialet i terahertz-kommunikation." Anvendelserne omfatter high-definition videostreaming, augmented reality og næste generations mobilnetværk som 6G.
Traditionelle terahertz-polarisationsstyringsløsninger, såsom ortogonale 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, herunder dem, der bruger Mach-Zehnder-interferometre eller fotoniske krystaller, tilbyder bedre integrerbarhed og lavere tab, men kræver ofte afvejninger mellem båndbredde, kompakthed og fremstillingskompleksitet.
Retningskoblere anvendes i vid udstrækning 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 retningskoblere og effektiv mediebeklædning og overvinder dermed disse begrænsninger. Den anisotropiske 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 området 225-330 GHz og opnår en fraktionel båndbredde på 37,8%, samtidig med at den opretholder en PER over 20 dB. Dens kompakte størrelse og kompatibilitet med standard fremstillingsprocesser gør den velegnet til masseproduktion.
Dr. Gao bemærkede: "Denne innovation forbedrer ikke kun effektiviteten af terahertz-kommunikationssystemer, men baner også vejen for mere kraftfulde og pålidelige højhastigheds trådløse netværk."
De potentielle anvendelser af denne teknologi rækker 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 vil være bredt anvendt og integreret på tværs af forskellige brancher," udtalte professor Withayachumnankul.
Multiplexeren kan også problemfrit integreres med tidligere stråleformningsenheder udviklet af teamet, hvilket muliggør avancerede kommunikationsfunktioner på en samlet platform. Denne kompatibilitet fremhæver alsidigheden og skalerbarheden af den effektive medium-cladd 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 interessen og forskningsaktiviteten på området."
Forskerne forventer, at deres arbejde vil inspirere til nye anvendelser og yderligere teknologiske forbedringer i de kommende år, hvilket i sidste ende vil føre til kommercielle prototyper og produkter.
Denne multiplekser repræsenterer et betydeligt skridt fremad i at frigøre potentialet i terahertz-kommunikation. Den sætter en ny standard for integrerede terahertz-enheder med sine hidtil usete ydeevnemålinger.
Efterhånden som efterspørgslen efter højhastigheds- og højkapacitetskommunikationsnetværk fortsætter med at vokse, vil sådanne innovationer spille en afgørende rolle i at forme fremtiden for trådløs teknologi.
Opslagstidspunkt: 16. dec. 2024