Nový typ terahertzového multiplexeru zdvojnásobil datovou kapacitu a výrazně vylepšil komunikaci 6G s bezprecedentní šířkou pásma a nízkou ztrátou dat.
Výzkumníci představili superširokopásmový terahertzový multiplexor, který zdvojnásobuje datovou kapacitu a přináší revoluční pokroky do 6G a dalších oblastí. (Zdroj obrázku: Getty Images)
Bezdrátová komunikace nové generace, reprezentovaná terahertzovou technologií, slibuje revoluci v přenosu dat.
Tyto systémy pracují na terahertzových frekvencích a nabízejí bezkonkurenční šířku pásma pro ultrarychlý přenos dat a komunikaci. Aby se však tento potenciál plně využil, je třeba překonat značné technické výzvy, zejména v oblasti správy a efektivního využívání dostupného spektra.
Tuto výzvu řeší průlomový pokrok: první ultraširokopásmový integrovaný terahertzový polarizační (de)multiplexor realizovaný na křemíkové platformě bez substrátu.
Tento inovativní design se zaměřuje na subterahertzové pásmo J (220–330 GHz) a jeho cílem je transformovat komunikaci pro sítě 6G a další. Zařízení efektivně zdvojnásobuje datovou kapacitu a zároveň zachovává nízkou míru ztráty dat, čímž otevírá cestu pro efektivní a spolehlivé vysokorychlostní bezdrátové sítě.
Tým, který stojí za tímto milníkem, zahrnuje profesora Withawata Withayachumnankula z Fakulty elektrotechniky a strojírenství Univerzity v Adelaide, Dr. Weijie Gao, nyní postdoktoranda na Univerzitě v Ósace, a profesora Masayuki Fujitu.
Profesor Withayachumnankul uvedl: „Navrhovaný polarizační multiplexor umožňuje současný přenos více datových proudů ve stejném frekvenčním pásmu, čímž se efektivně zdvojnásobí datová kapacita.“ Relativní šířka pásma, které zařízení dosahuje, je v jakémkoli frekvenčním rozsahu bezprecedentní, což představuje významný skok pro integrované multiplexory.
Polarizační multiplexory jsou v moderní komunikaci nezbytné, protože umožňují sdílení stejného frekvenčního pásma více signály, což výrazně zvyšuje kapacitu kanálu.
Nové zařízení toho dosahuje využitím kuželových směrových vazebních členů a anizotropního efektivního pláště média. Tyto komponenty zvyšují dvojlom polarizace, což má za následek vysoký poměr extinkce polarizace (PER) a širokou šířku pásma – klíčové vlastnosti efektivních terahertzových komunikačních systémů.
Na rozdíl od tradičních konstrukcí, které se spoléhají na komplexní a frekvenčně závislé asymetrické vlnovody, nový multiplexer využívá anizotropní plášť s pouze nepatrnou frekvenční závislostí. Tento přístup plně využívá dostatečnou šířku pásma poskytovanou kuželovými vazebními členy.
Výsledkem je zlomková šířka pásma blízká 40 %, průměrný PER přesahující 20 dB a minimální vložný útlum přibližně 1 dB. Tyto výkonnostní metriky daleko převyšují stávající optické a mikrovlnné konstrukce, které často trpí úzkou šířkou pásma a vysokými ztrátami.
Práce výzkumného týmu nejen zvyšuje efektivitu terahertzových systémů, ale také pokládá základy pro novou éru bezdrátové komunikace. Dr. Gao poznamenal: „Tato inovace je klíčovým faktorem pro uvolnění potenciálu terahertzové komunikace.“ Mezi aplikace patří streamování videa ve vysokém rozlišení, rozšířená realita a mobilní sítě nové generace, jako je 6G.
Tradiční terahertzová řešení pro řízení polarizace, jako jsou ortogonální módové měniče (OMT) založené na obdélníkových kovových vlnovodech, čelí značným omezením. Kovové vlnovody vykazují zvýšené ohmické ztráty při vyšších frekvencích a jejich výrobní procesy jsou složité kvůli přísným geometrickým požadavkům.
Optické polarizační multiplexory, včetně těch, které používají Mach-Zehnderův interferometr nebo fotonické krystaly, nabízejí lepší integrovatelnost a nižší ztráty, ale často vyžadují kompromisy mezi šířkou pásma, kompaktností a výrobní složitostí.
Směrové vazební členy se široce používají v optických systémech a pro dosažení kompaktních rozměrů a vysokého PER vyžadují silný polarizační dvojlom. Jsou však omezeny úzkou šířkou pásma a citlivostí na výrobní tolerance.
Nový multiplexor kombinuje výhody kuželových směrových vazebních členů a efektivního středového pláště, čímž překonává tato omezení. Anizotropní plášť vykazuje významný dvojlom, což zajišťuje vysoký PER v širokém pásmu. Tento konstrukční princip představuje odklon od tradičních metod a poskytuje škálovatelné a praktické řešení pro terahertzovou integraci.
Experimentální ověření multiplexeru potvrdilo jeho výjimečný výkon. Zařízení pracuje efektivně v rozsahu 225–330 GHz a dosahuje zlomkové šířky pásma 37,8 % při zachování PER nad 20 dB. Jeho kompaktní rozměry a kompatibilita se standardními výrobními procesy ho předurčují pro hromadnou výrobu.
Dr. Gao poznamenal: „Tato inovace nejen zvyšuje efektivitu terahertzových komunikačních systémů, ale také připravuje cestu pro výkonnější a spolehlivější vysokorychlostní bezdrátové sítě.“
Potenciální aplikace této technologie sahají i za hranice komunikačních systémů. Zlepšením využití spektra může multiplexor podpořit pokrok v oblastech, jako je radar, zobrazování a internet věcí. „Během deseti let očekáváme, že tyto terahertzové technologie budou široce přijaty a integrovány v různých odvětvích,“ uvedl profesor Withayachumnankul.
Multiplexer lze také bezproblémově integrovat s dřívějšími zařízeními pro tvarování paprsku vyvinutými týmem, což umožňuje pokročilé komunikační funkce na jednotné platformě. Tato kompatibilita zdůrazňuje všestrannost a škálovatelnost efektivní platformy dielektrických vlnovodů s pláštěm z dielektrického média.
Výsledky výzkumu týmu byly publikovány v časopise Laser & Photonic Reviews, kde je zdůrazněn jejich význam pro rozvoj fotonické terahertzové technologie. Profesor Fujita poznamenal: „Překonáním kritických technických překážek se očekává, že tato inovace podnítí zájem a výzkumnou aktivitu v této oblasti.“
Výzkumníci očekávají, že jejich práce v nadcházejících letech inspiruje nové aplikace a další technologická vylepšení, což nakonec povede ke komerčním prototypům a produktům.
Tento multiplexer představuje významný krok vpřed v odemknutí potenciálu terahertzové komunikace. Díky svým bezprecedentním výkonnostním metrikám nastavuje nový standard pro integrovaná terahertzová zařízení.
Vzhledem k tomu, že poptávka po vysokorychlostních komunikačních sítích s vysokou kapacitou neustále roste, budou tyto inovace hrát klíčovou roli při utváření budoucnosti bezdrátových technologií.
Čas zveřejnění: 16. prosince 2024