Een nieuw type terahertz-multiplexer heeft de datacapaciteit verdubbeld en de 6G-communicatie aanzienlijk verbeterd met een ongekende bandbreedte en minimaal dataverlies.
Onderzoekers hebben een ultrabreedband terahertz-multiplexer geïntroduceerd die de datacapaciteit verdubbelt en revolutionaire verbeteringen mogelijk maakt voor 6G en verder. (Bron afbeelding: Getty Images)
De volgende generatie draadloze communicatie, vertegenwoordigd door terahertz-technologie, belooft een revolutie teweeg te brengen in de gegevensoverdracht.
Deze systemen werken op terahertzfrequenties en bieden een ongeëvenaarde bandbreedte voor ultrasnelle gegevensoverdracht en communicatie. Om dit potentieel volledig te benutten, moeten echter aanzienlijke technische uitdagingen worden overwonnen, met name op het gebied van beheer en effectief gebruik van het beschikbare spectrum.
Een baanbrekende ontwikkeling heeft deze uitdaging aangepakt: de eerste ultrabreedband geïntegreerde terahertz polarisatie (de)multiplexer gerealiseerd op een substraatvrij siliciumplatform.
Dit innovatieve ontwerp is gericht op de sub-terahertz J-band (220-330 GHz) en heeft als doel de communicatie voor 6G en verder te transformeren. Het apparaat verdubbelt effectief de datacapaciteit met behoud van een laag dataverliespercentage, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor efficiënte en betrouwbare draadloze hogesnelheidsnetwerken.
Het team achter deze mijlpaal bestaat uit professor Withawat Withayachumnankul van de faculteit Elektrotechniek en Werktuigbouwkunde van de Universiteit van Adelaide, dr. Weijie Gao, momenteel postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Osaka, en professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul verklaarde: "De voorgestelde polarisatiemultiplexer maakt het mogelijk om meerdere datastromen gelijktijdig binnen dezelfde frequentieband te verzenden, waardoor de datacapaciteit effectief wordt verdubbeld." De relatieve bandbreedte die met het apparaat wordt bereikt, is ongekend in elk frequentiebereik en vertegenwoordigt een aanzienlijke sprong voorwaarts voor geïntegreerde multiplexers.
Polarisatiemultiplexers zijn essentieel in moderne communicatie, omdat ze het mogelijk maken dat meerdere signalen dezelfde frequentieband delen, waardoor de kanaalcapaciteit aanzienlijk wordt vergroot.
Het nieuwe apparaat bereikt dit door gebruik te maken van conische directionele koppelaars en een anisotrope effectieve mediumbekleding. Deze componenten versterken de polarisatiebirefringentie, wat resulteert in een hoge polarisatie-extinctieverhouding (PER) en een brede bandbreedte – essentiële kenmerken van efficiënte terahertz-communicatiesystemen.
In tegenstelling tot traditionele ontwerpen die afhankelijk zijn van complexe en frequentieafhankelijke asymmetrische golfgeleiders, maakt de nieuwe multiplexer gebruik van anisotrope bekleding met slechts een geringe frequentieafhankelijkheid. Deze aanpak benut de ruime bandbreedte die de conische koppelaars bieden optimaal.
Het resultaat is een fractionele bandbreedte van bijna 40%, een gemiddelde PER van meer dan 20 dB en een minimaal invoegverlies van ongeveer 1 dB. Deze prestatiecijfers overtreffen die van bestaande optische en microgolfontwerpen, die vaak te kampen hebben met een smalle bandbreedte en een hoog verlies.
Het werk van het onderzoeksteam verbetert niet alleen de efficiëntie van terahertzsystemen, maar legt ook de basis voor een nieuw tijdperk in draadloze communicatie. Dr. Gao merkte op: "Deze innovatie is een belangrijke drijfveer om het potentieel van terahertzcommunicatie te ontsluiten." Toepassingen zijn onder meer videostreaming in hoge resolutie, augmented reality en de volgende generatie mobiele netwerken zoals 6G.
Traditionele oplossingen voor polarisatiebeheer in het terahertzgebied, zoals orthogonale modusomzetters (OMT's) gebaseerd op rechthoekige metalen golfgeleiders, kennen aanzienlijke beperkingen. Metalen golfgeleiders ondervinden verhoogde ohmse verliezen bij hogere frequenties en hun fabricageprocessen zijn complex vanwege strenge geometrische eisen.
Optische polarisatiemultiplexers, waaronder die met Mach-Zehnder-interferometers of fotonische kristallen, bieden een betere integreerbaarheid en lagere verliezen, maar vereisen vaak een afweging tussen bandbreedte, compactheid en complexiteit van de productie.
Directionele koppelaars worden veel gebruikt in optische systemen en vereisen een sterke polarisatiebirefringentie om een compact formaat en een hoge PER te bereiken. Ze hebben echter beperkingen door hun smalle bandbreedte en gevoeligheid voor fabricagetoleranties.
De nieuwe multiplexer combineert de voordelen van conische directionele koppelaars en effectieve mediumbekleding, waardoor deze beperkingen worden overwonnen. De anisotrope bekleding vertoont aanzienlijke dubbele breking, wat zorgt voor een hoge PER over een brede bandbreedte. Dit ontwerpprincipe wijkt af van traditionele methoden en biedt een schaalbare en praktische oplossing voor terahertz-integratie.
Experimentele validatie van de multiplexer bevestigde de uitzonderlijke prestaties. Het apparaat werkt efficiënt in het frequentiebereik van 225-330 GHz en behaalt een fractionele bandbreedte van 37,8% met behoud van een PER van meer dan 20 dB. Dankzij het compacte formaat en de compatibiliteit met standaard productieprocessen is het geschikt voor massaproductie.
Dr. Gao merkte op: "Deze innovatie verbetert niet alleen de efficiëntie van terahertz-communicatiesystemen, maar maakt ook de weg vrij voor krachtigere en betrouwbaardere draadloze hogesnelheidsnetwerken."
De potentiële toepassingen van deze technologie reiken verder dan communicatiesystemen. Door het spectrumgebruik te verbeteren, kan de multiplexer vooruitgang stimuleren op gebieden zoals radar, beeldvorming en het Internet der Dingen. "Binnen tien jaar verwachten we dat deze terahertztechnologieën breed worden toegepast en geïntegreerd in diverse industrieën", aldus professor Withayachumnankul.
De multiplexer kan ook naadloos worden geïntegreerd met eerdere beamforming-apparaten die door het team zijn ontwikkeld, waardoor geavanceerde communicatiefuncties op een uniform platform mogelijk worden. Deze compatibiliteit benadrukt de veelzijdigheid en schaalbaarheid van het effectieve medium-clad diëlektrische golfgeleiderplatform.
De onderzoeksresultaten van het team zijn gepubliceerd in het tijdschrift Laser & Photonic Reviews, waarin het belang ervan voor de vooruitgang van fotonische terahertztechnologie wordt benadrukt. Professor Fujita merkte op: "Door cruciale technische obstakels te overwinnen, zal deze innovatie naar verwachting de interesse in en de onderzoeksactiviteit op dit gebied stimuleren."
De onderzoekers verwachten dat hun werk de komende jaren zal leiden tot nieuwe toepassingen en verdere technologische verbeteringen, wat uiteindelijk zal resulteren in commerciële prototypes en producten.
Deze multiplexer is een belangrijke stap voorwaarts in het ontsluiten van het potentieel van terahertzcommunicatie. Met zijn ongekende prestaties zet hij een nieuwe standaard voor geïntegreerde terahertzapparaten.
Naarmate de vraag naar snelle communicatienetwerken met een hoge capaciteit blijft groeien, zullen dergelijke innovaties een cruciale rol spelen in de vormgeving van de toekomst van draadloze technologie.
Geplaatst op: 16 december 2024