En ny typ av terahertzmultiplexer har fördubblat datakapaciteten och avsevärt förbättrat 6G-kommunikation med oöverträffad bandbredd och låg dataförlust.
Forskare har introducerat en superbredbandig terahertzmultiplexer som fördubblar datakapaciteten och ger revolutionerande framsteg till 6G och därefter. (Bildkälla: Getty Images)
Nästa generations trådlösa kommunikation, representerad av terahertz-teknik, lovar att revolutionera dataöverföring.
Dessa system arbetar på terahertzfrekvenser och erbjuder oöverträffad bandbredd för ultrasnabb dataöverföring och kommunikation. För att fullt ut förverkliga denna potential måste dock betydande tekniska utmaningar övervinnas, särskilt när det gäller att hantera och effektivt utnyttja det tillgängliga spektrumet.
Ett banbrytande framsteg har tagit itu med denna utmaning: den första ultrabredbandiga integrerade terahertz-polarisations(de)multiplexern realiserad på en substratfri kiselplattform.
Denna innovativa design riktar sig mot subterahertz J-bandet (220–330 GHz) och syftar till att omvandla kommunikationen för 6G och senare. Enheten fördubblar effektivt datakapaciteten samtidigt som den bibehåller en låg dataförlusthastighet, vilket banar väg för effektiva och pålitliga trådlösa höghastighetsnätverk.
Teamet bakom denna milstolpe inkluderar professor Withawat Withayachumnankul från University of Adelaides School of Electrical and Mechanical Engineering, Dr. Weijie Gao, numera postdoktoral forskare vid Osaka University, och professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul konstaterade: ”Den föreslagna polarisationsmultiplexern tillåter att flera dataströmmar överförs samtidigt inom samma frekvensband, vilket effektivt fördubblar datakapaciteten.” Den relativa bandbredd som uppnås av enheten är oöverträffad över alla frekvensområden, vilket representerar ett betydande språng för integrerade multiplexorer.
Polarisationsmultiplexorer är viktiga i modern kommunikation eftersom de gör det möjligt för flera signaler att dela samma frekvensband, vilket avsevärt förbättrar kanalkapaciteten.
Den nya enheten uppnår detta genom att använda koniska riktningskopplare och anisotropiskt effektiv mediumbeklädnad. Dessa komponenter förbättrar polarisationsdubbelbrytningen, vilket resulterar i ett högt polarisationsextinktionsförhållande (PER) och bred bandbredd – viktiga egenskaper hos effektiva terahertz-kommunikationssystem.
Till skillnad från traditionella konstruktioner som förlitar sig på komplexa och frekvensberoende asymmetriska vågledare, använder den nya multiplexern anisotropisk mantel med endast ett litet frekvensberoende. Denna metod utnyttjar fullt ut den stora bandbredden som de koniska kopplarna erbjuder.
Resultatet är en bråkdel av bandbredden nära 40 %, en genomsnittlig PER som överstiger 20 dB och en minsta insättningsförlust på cirka 1 dB. Dessa prestandamått överträffar vida de för befintliga optiska och mikrovågsdesigner, vilka ofta lider av smal bandbredd och höga förluster.
Forskargruppens arbete förbättrar inte bara effektiviteten hos terahertz-system utan lägger också grunden för en ny era inom trådlös kommunikation. Dr. Gao noterade: "Denna innovation är en viktig drivkraft för att frigöra potentialen hos terahertz-kommunikation." Tillämpningar inkluderar HD-videostreaming, förstärkt verklighet och nästa generations mobilnät som 6G.
Traditionella lösningar för hantering av terahertzpolarisation, såsom ortogonala modtransduktorer (OMT) baserade på rektangulära metallvågledare, har betydande begränsningar. Metallvågledare upplever ökade ohmiska förluster vid högre frekvenser, och deras tillverkningsprocesser är komplexa på grund av stränga geometriska krav.
Optiska polarisationsmultiplexorer, inklusive de som använder Mach-Zehnder-interferometrar eller fotoniska kristaller, erbjuder bättre integrerbarhet och lägre förluster men kräver ofta avvägningar mellan bandbredd, kompakthet och tillverkningskomplexitet.
Riktkopplare används ofta i optiska system och kräver stark polarisationsdubbelbrytning för att uppnå kompakt storlek och hög PER. De är dock begränsade av smal bandbredd och känslighet för tillverkningstoleranser.
Den nya multiplexern kombinerar fördelarna med koniska riktningskopplare och effektiv mediebeklädnad och övervinner dessa begränsningar. Den anisotropa beklädnaden uppvisar betydande dubbelbrytning, vilket säkerställer hög PER över en bred bandbredd. Denna designprincip markerar ett avvikelse från traditionella metoder och ger en skalbar och praktisk lösning för terahertz-integration.
Experimentell validering av multiplexern bekräftade dess exceptionella prestanda. Enheten arbetar effektivt i frekvensområdet 225–330 GHz och uppnår en fraktionerad bandbredd på 37,8 % samtidigt som den bibehåller ett PER över 20 dB. Dess kompakta storlek och kompatibilitet med standardtillverkningsprocesser gör den lämplig för massproduktion.
Dr. Gao anmärkte: ”Denna innovation förbättrar inte bara effektiviteten hos terahertz-kommunikationssystem utan banar också väg för kraftfullare och mer pålitliga trådlösa höghastighetsnätverk.”
De potentiella tillämpningarna av denna teknik sträcker sig bortom kommunikationssystem. Genom att förbättra spektrumutnyttjandet kan multiplexern driva framsteg inom områden som radar, bildbehandling och sakernas internet. ”Inom ett decennium förväntar vi oss att dessa terahertz-tekniker kommer att vara allmänt implementerade och integrerade i olika branscher”, konstaterade professor Withayachumnankul.
Multiplexern kan också integreras sömlöst med tidigare strålformningsenheter som utvecklats av teamet, vilket möjliggör avancerade kommunikationsfunktioner på en enhetlig plattform. Denna kompatibilitet belyser mångsidigheten och skalbarheten hos den effektiva mediebeklädda dielektriska vågledarplattformen.
Teamets forskningsresultat har publicerats i tidskriften Laser & Photonic Reviews, och betonar deras betydelse för att utveckla fotonisk terahertz-teknik. Professor Fujita anmärkte: "Genom att övervinna kritiska tekniska hinder förväntas denna innovation stimulera intresse och forskningsaktivitet inom området."
Forskarna förväntar sig att deras arbete kommer att inspirera till nya tillämpningar och ytterligare tekniska förbättringar under de kommande åren, vilket i slutändan kommer att leda till kommersiella prototyper och produkter.
Denna multiplexer representerar ett betydande steg framåt för att frigöra potentialen hos terahertz-kommunikation. Den sätter en ny standard för integrerade terahertz-enheter med sina oöverträffade prestandamått.
I takt med att efterfrågan på snabba och högkapacitetskommunikationsnätverk fortsätter att växa, kommer sådana innovationer att spela en avgörande roll för att forma framtiden för trådlös teknik.
Publiceringstid: 16 december 2024