Een nieuw type terahertz-multiplexer heeft de datacapaciteit verdubbeld en de 6G-communicatie aanzienlijk verbeterd met ongekende bandbreedte en laag dataverlies.
Onderzoekers hebben een superbreedband-terahertz-multiplexer geïntroduceerd die de datacapaciteit verdubbelt en revolutionaire vooruitgang brengt op het gebied van 6G en verder. (Afbeeldingsbron: Getty Images)
De draadloze communicatie van de volgende generatie, vertegenwoordigd door terahertz-technologie, belooft een revolutie teweeg te brengen in de datatransmissie.
Deze systemen werken op terahertz-frequenties en bieden ongeëvenaarde bandbreedte voor ultrasnelle datatransmissie en communicatie. Om dit potentieel volledig te kunnen verwezenlijken moeten er echter aanzienlijke technische uitdagingen worden overwonnen, vooral bij het beheren en effectief benutten van het beschikbare spectrum.
Een baanbrekende vooruitgang heeft deze uitdaging aangepakt: de eerste ultrabreedband geïntegreerde terahertz-polarisatie (de)multiplexer gerealiseerd op een substraatvrij siliciumplatform.
Dit innovatieve ontwerp richt zich op de sub-terahertz J-band (220-330 GHz) en heeft tot doel de communicatie voor 6G en verder te transformeren. Het apparaat verdubbelt effectief de datacapaciteit terwijl het dataverlies laag blijft, waardoor de weg wordt vrijgemaakt voor efficiënte en betrouwbare snelle draadloze netwerken.
Het team achter deze mijlpaal bestaat uit professor Withawat Withayachumnankul van de School of Electrical and Mechanical Engineering van de Universiteit van Adelaide, Dr. Weijie Gao, nu postdoctoraal onderzoeker aan de Universiteit van Osaka, en professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul verklaarde: "De voorgestelde polarisatiemultiplexer maakt het mogelijk dat meerdere datastromen tegelijkertijd binnen dezelfde frequentieband worden verzonden, waardoor de datacapaciteit effectief wordt verdubbeld." De relatieve bandbreedte die door het apparaat wordt bereikt, is ongekend over elk frequentiebereik, wat een aanzienlijke sprong voorwaarts betekent voor geïntegreerde multiplexers.
Polarisatiemultiplexers zijn essentieel in moderne communicatie, omdat ze ervoor zorgen dat meerdere signalen dezelfde frequentieband kunnen delen, waardoor de kanaalcapaciteit aanzienlijk wordt vergroot.
Het nieuwe apparaat bereikt dit door gebruik te maken van conische richtkoppelingen en anisotrope effectieve mediumbekleding. Deze componenten versterken de dubbele breking van de polarisatie, wat resulteert in een hoge polarisatie-extinctieverhouding (PER) en een grote bandbreedte: sleutelkenmerken 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 maakt volledig gebruik van de ruime bandbreedte die door de conische koppelingen wordt geboden.
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 prestatiegegevens overtreffen ruimschoots die van bestaande optische en microgolfontwerpen, die vaak te kampen hebben met een smalle bandbreedte en hoge verliezen.
Het werk van het onderzoeksteam verbetert niet alleen de efficiëntie van terahertz-systemen, maar legt ook de basis voor een nieuw tijdperk in draadloze communicatie. Dr. Gao merkte op: "Deze innovatie is een belangrijke drijfveer bij het ontsluiten van het potentieel van terahertz-communicatie." Toepassingen zijn onder meer high-definition videostreaming, augmented reality en mobiele netwerken van de volgende generatie, zoals 6G.
Traditionele oplossingen voor terahertz-polarisatiebeheer, zoals orthogonale modustransducers (OMT's) op basis van rechthoekige metalen golfgeleiders, worden geconfronteerd met aanzienlijke beperkingen. Metalen golfgeleiders ervaren verhoogde ohmse verliezen bij hogere frequenties, en hun productieprocessen zijn complex vanwege strenge geometrische eisen.
Optische polarisatiemultiplexers, inclusief die welke Mach-Zehnder-interferometers of fotonische kristallen gebruiken, bieden een betere integreerbaarheid en lagere verliezen, maar vereisen vaak een afweging tussen bandbreedte, compactheid en productiecomplexiteit.
Directionele koppelaars worden veel gebruikt in optische systemen en vereisen een sterke dubbele breking van de polarisatie om een compact formaat en een hoge PER te bereiken. Ze worden echter beperkt door een smalle bandbreedte en gevoeligheid voor productietoleranties.
De nieuwe multiplexer combineert de voordelen van conische richtingskoppelingen en effectieve mediumbekleding, waardoor deze beperkingen worden overwonnen. De anisotrope bekleding vertoont een aanzienlijke dubbele breking, waardoor een hoge PER over een brede bandbreedte wordt gegarandeerd. Dit ontwerpprincipe markeert een afwijking van traditionele methoden en biedt een schaalbare en praktische oplossing voor terahertz-integratie.
Experimentele validatie van de multiplexer bevestigde zijn uitzonderlijke prestaties. Het apparaat werkt efficiënt in het bereik van 225-330 GHz en bereikt een fractionele bandbreedte van 37,8% terwijl de PER boven de 20 dB blijft. Het compacte formaat en de compatibiliteit met standaard productieprocessen maken hem 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 boeken op gebieden als radar, beeldvorming en het internet der dingen. "Binnen tien jaar verwachten we dat deze terahertz-technologieën op grote schaal zullen worden toegepast en geïntegreerd in verschillende industrieën", aldus professor Withayachumnankul.
De multiplexer kan ook naadloos worden geïntegreerd met eerdere door het team ontwikkelde beamforming-apparaten, waardoor geavanceerde communicatiefunctionaliteiten op een uniform platform mogelijk zijn. 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, waarbij de nadruk wordt gelegd op hun betekenis voor de vooruitgang van de fotonische terahertz-technologie. Professor Fujita merkte op: "Door het overwinnen van kritische technische barrières wordt verwacht dat deze innovatie de belangstelling en onderzoeksactiviteiten op dit gebied zal stimuleren."
De onderzoekers verwachten dat hun werk de komende jaren nieuwe toepassingen en verdere technologische verbeteringen zal inspireren, wat uiteindelijk zal leiden tot commerciële prototypes en producten.
Deze multiplexer vertegenwoordigt een belangrijke stap voorwaarts in het ontsluiten van het potentieel van terahertz-communicatie. Het zet een nieuwe standaard voor geïntegreerde terahertz-apparaten met zijn ongekende prestatiestatistieken.
Naarmate de vraag naar communicatienetwerken met hoge snelheid en hoge capaciteit blijft groeien, zullen dergelijke innovaties een cruciale rol spelen bij het vormgeven van de toekomst van draadloze technologie.
Posttijd: 16 december 2024