En ny typ av terahertz-multiplexer har fördubblad datakapacitet och avsevärt förbättrad 6G-kommunikation med oöverträffad bandbredd och låg dataförlust.
Forskare har introducerat en superbredband terahertz-multiplexer som fördubblar datakapaciteten och ger revolutionerande framsteg till 6G och mer. (Bildkälla: Getty Images)
Nästa generations trådlös kommunikation, representerad av terahertz-teknologi, lovar att revolutionera dataöverföring.
Dessa system arbetar vid terahertz-frekvenser och erbjuder oöverträffad bandbredd för ultrasnabb dataöverföring och kommunikation. Men för att fullt ut förverkliga denna potential måste 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 ultrabredbandsintegrerade terahertz-polarisations-(de)multiplexern realiserad på en substratfri kiselplattform.
Denna innovativa design riktar sig till sub-terahertz J-bandet (220-330 GHz) och syftar till att transformera kommunikation för 6G och längre. 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, nu postdoktor vid Osaka University, och professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul sa: "Den föreslagna polarisationsmultiplexern tillåter att flera dataströmmar sänds samtidigt inom samma frekvensband, vilket effektivt fördubblar datakapaciteten." Den relativa bandbredden som uppnås av enheten är oöverträffad över alla frekvensområden, vilket representerar ett betydande steg för integrerade multiplexorer.
Polarisationsmultiplexrar 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 anisotropisk effektiv mellanbeklädnad. Dessa komponenter förbättrar polarisationsdubbelbrytningen, vilket resulterar i ett högt polarisationsutsläckningsförhållande (PER) och bred bandbredd – nyckelegenskaper hos effektiva terahertz-kommunikationssystem.
Till skillnad från traditionella konstruktioner som förlitar sig på komplexa och frekvensberoende asymmetriska vågledare, använder den nya multiplexern anisotropisk beklädnad med endast ett litet frekvensberoende. Detta tillvägagångssätt utnyttjar fullt ut den stora bandbredden som tillhandahålls av de koniska kopplarna.
Resultatet är en bråkdel av bandbredd 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, som 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 för terahertz-kommunikation." Tillämpningar inkluderar högupplöst videostreaming, förstärkt verklighet och nästa generations mobilnät som 6G.
Traditionella terahertz-polarisationshanteringslösningar, såsom ortogonala givare (OMT) baserade på rektangulära metallvågledare, möter betydande begränsningar. Metallvågledare upplever ökade ohmska förluster vid högre frekvenser, och deras tillverkningsprocesser är komplexa på grund av stränga geometriska krav.
Optiska polarisationsmultiplexrar, inklusive de som använder Mach-Zehnder-interferometrar eller fotoniska kristaller, erbjuder bättre integrerbarhet och lägre förluster men kräver ofta avvägningar mellan bandbredd, kompaktitet och tillverkningskomplexitet.
Riktningskopplare används i stor utsträckning i optiska system och kräver stark polarisationsdubbelbrytning för att uppnå kompakt storlek och hög PER. De begränsas dock av smal bandbredd och känslighet för tillverkningstoleranser.
Den nya multiplexern kombinerar fördelarna med koniska riktningskopplare och effektiv mellanbeklädnad och övervinner dessa begränsningar. Den anisotropa beklädnaden uppvisar betydande dubbelbrytning, vilket säkerställer hög PER över en bred bandbredd. Denna designprincip markerar ett avsteg från traditionella metoder och ger en skalbar och praktisk lösning för integrering av terahertz.
Experimentell validering av multiplexorn bekräftade dess exceptionella prestanda. Enheten fungerar effektivt i intervallet 225-330 GHz, och uppnår en bråkdel av bandbredden på 37,8 % samtidigt som en PER bibehålls 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 mer kraftfulla och pålitliga trådlösa höghastighetsnätverk."
De potentiella tillämpningarna av denna teknik sträcker sig bortom kommunikationssystem. Genom att förbättra spektrumanvändningen kan multiplexern driva framsteg inom områden som radar, bildbehandling och Internet of Things. "Inom ett decennium förväntar vi oss att dessa terahertz-teknologier kommer att bli allmänt adopterade och integrerade i olika branscher," sa professor Withayachumnankul.
Multiplexern kan också integreras sömlöst med tidigare strålformande enheter utvecklade av teamet, vilket möjliggör avancerade kommunikationsfunktioner på en enhetlig plattform. Denna kompatibilitet framhäver mångsidigheten och skalbarheten hos den effektiva mediumklädda dielektriska vågledarplattformen.
Teamets forskningsresultat har publicerats i tidskriften Laser & Photonic Reviews, och betonar deras betydelse för att utveckla fotonisk terahertz-teknologi. Professor Fujita anmärkte: "Genom att övervinna kritiska tekniska barriärer förväntas denna innovation stimulera intresse och forskningsaktivitet inom området."
Forskarna räknar med 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 för terahertz-kommunikation. Den sätter en ny standard för integrerade terahertz-enheter med sina oöverträffade prestandamått.
Eftersom efterfrågan på höghastighetskommunikationsnätverk med hög kapacitet fortsätter att växa, kommer sådana innovationer att spela en avgörande roll för att forma framtiden för trådlös teknik.
Posttid: 16-12-2024