Een nieuw type terahertz-multiplexer heeft de datacapaciteit verdubbeld en de 6G-communicatie aanzienlijk verbeterd met een ongekende bandbreedte en laag dataverlies.
Onderzoekers hebben een superbrede terahertz-multiplexer geïntroduceerd die de datacapaciteit verdubbelt en revolutionaire ontwikkelingen naar 6G en verder brengt. (Bron: 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 effectieve benutting 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 richt zich op de subterahertz J-band (220-330 GHz) en wil de communicatie voor 6G en hoger transformeren. Het apparaat verdubbelt effectief de datacapaciteit en behoudt tegelijkertijd een laag dataverlies, wat de weg vrijmaakt voor efficiënte en betrouwbare draadloze supersnelle 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 om meerdere datastromen tegelijkertijd binnen dezelfde frequentieband te verzenden, waardoor de datacapaciteit effectief wordt verdubbeld." De relatieve bandbreedte die het apparaat bereikt, is ongekend in elk frequentiebereik, wat een aanzienlijke vooruitgang betekent voor geïntegreerde multiplexers.
Polarisatiemultiplexers zijn onmisbaar in moderne communicatie, omdat ze ervoor zorgen dat meerdere signalen dezelfde frequentieband kunnen delen. Dit vergroot de kanaalcapaciteit aanzienlijk.
Het nieuwe apparaat bereikt dit door gebruik te maken van conische richtkoppelaars en anisotrope effectieve mediumcladding. Deze componenten verbeteren de polarisatiedubbelbreking, wat resulteert in een hoge polarisatie-extinctieverhouding (PER) en een brede bandbreedte – belangrijke 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 cladding met slechts een geringe frequentieafhankelijkheid. Deze aanpak benut de ruime bandbreedte van de conische koppelingen ten volle.
Het resultaat is een fractionele bandbreedte van bijna 40%, een gemiddelde PER van meer dan 20 dB en een minimale invoegingsdemping van ongeveer 1 dB. Deze prestatie-indicatoren overtreffen ruimschoots die van bestaande optische en microgolfontwerpen, die vaak kampen met een smalle bandbreedte en een hoog verlies.
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 motor voor het ontsluiten van het potentieel van terahertz-communicatie." Toepassingen zijn onder andere high-definition videostreaming, augmented reality en mobiele netwerken van de volgende generatie zoals 6G.
Traditionele oplossingen voor terahertzpolarisatiebeheer, zoals orthogonale modustransducers (OMT's) op basis van rechthoekige metalen golfgeleiders, kampen met aanzienlijke beperkingen. Metalen golfgeleiders ervaren hogere ohmse verliezen bij hogere frequenties en hun productieprocessen zijn complex vanwege de strenge geometrische eisen.
Optische polarisatiemultiplexers, waaronder die welke gebruikmaken van 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.
Richtkoppelaars worden veel gebruikt in optische systemen en vereisen een sterke polarisatiedubbelbreking 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 richtkoppelaars en effectieve mediumcladding en overwint deze beperkingen. De anisotrope cladding vertoont een aanzienlijke dubbelbreking, 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 bereikt een fractionele bandbreedte van 37,8% met een PER van meer dan 20 dB. Het compacte formaat en de compatibiliteit met standaard productieprocessen maken 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 supersnelle netwerken."
De potentiële toepassingen van deze technologie reiken verder dan alleen communicatiesystemen. Door het spectrumgebruik te verbeteren, kan de multiplexer vooruitgang boeken op het gebied van radar, beeldvorming en het internet der dingen. "Binnen tien jaar verwachten we dat deze terahertztechnologieën breed zullen worden toegepast en geïntegreerd in diverse sectoren", aldus professor Withayachumnankul.
De multiplexer kan ook naadloos worden geïntegreerd met eerdere beamforming-apparaten die door het team zijn ontwikkeld, waardoor geavanceerde communicatiefunctionaliteiten op een uniform platform mogelijk zijn. Deze compatibiliteit onderstreept 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 hun belang voor de ontwikkeling van fotonische terahertztechnologie wordt benadrukt. Professor Fujita merkte op: "Door kritieke technische barrières te overwinnen, zal deze innovatie naar verwachting de interesse en onderzoeksactiviteit in dit vakgebied stimuleren."
De onderzoekers verwachten dat hun werk in de komende jaren zal leiden tot nieuwe toepassingen en verdere technologische verbeteringen, wat uiteindelijk zal leiden tot commerciële prototypes en producten.
Deze multiplexer is een belangrijke stap voorwaarts in het ontsluiten van de mogelijkheden van terahertz-communicatie. Met zijn ongeëvenaarde prestatiegegevens zet hij een nieuwe standaard voor geïntegreerde terahertz-apparaten.
Omdat de vraag naar snelle communicatienetwerken met een hoge capaciteit blijft toenemen, spelen dergelijke innovaties een cruciale rol bij het vormgeven van de toekomst van draadloze technologie.
Plaatsingstijd: 16-12-2024