Nový typ terahertzového multiplexeru zdvojnásobil datovou kapacitu a výrazně zlepšil 6G komunikaci s nebývalou šířkou pásma a nízkou ztrátou dat.
Výzkumníci představili superširokopásmový terahertzový multiplexor, který zdvojnásobuje datovou kapacitu a přináší revoluční pokroky v 6G a mimo něj. (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. K plnému využití tohoto potenciálu je však nutné překonat značné technické problémy, zejména při správě a efektivním využívání dostupného spektra.
Tuto výzvu řeší převratný pokrok: první ultraširokopásmový integrovaný terahertzový polarizační (de)multiplexer realizovaný na křemíkové platformě bez substrátu.
Tento inovativní design se zaměřuje na sub-terahertzové pásmo J (220–330 GHz) a jeho cílem je transformovat komunikaci pro 6G a další. Zařízení efektivně zdvojnásobuje datovou kapacitu při zachování nízké ztráty dat, čímž připravuje cestu pro efektivní a spolehlivé vysokorychlostní bezdrátové sítě.
Tým, který stojí za tímto milníkem, zahrnuje profesora Withawata Withayachumnankul ze Školy elektrického a strojního inženýrství University of Adelaide, Dr. Weijie Gao, nyní postdoktorandský výzkumník na univerzitě v Osace, a profesora Masayuki Fujita.
Profesor Withayachumnankul uvedl: "Navrhovaný polarizační multiplexor umožňuje souběžný přenos více datových toků ve stejném frekvenčním pásmu, což efektivně zdvojnásobuje datovou kapacitu." Relativní šířka pásma dosažená zařízením je bezprecedentní v jakémkoli frekvenčním rozsahu, což představuje významný skok pro integrované multiplexery.
Polarizační multiplexory jsou nezbytné v moderní komunikaci, protože umožňují více signálům sdílet stejné frekvenční pásmo, což výrazně zvyšuje kapacitu kanálu.
Nové zařízení toho dosahuje využitím kónických směrových vazebních členů a anizotropního účinného pláště média. Tyto komponenty zvyšují polarizační dvojlom, což má za následek vysoký poměr zhášení polarizace (PER) a širokou šířku pásma – klíčové vlastnosti účinných terahertzových komunikačních systémů.
Na rozdíl od tradičních konstrukcí, které se spoléhají na složité a frekvenčně závislé asymetrické vlnovody, nový multiplexer využívá anizotropní opláštění s pouze nepatrnou frekvenční závislostí. Tento přístup plně využívá dostatečnou šířku pásma, kterou poskytují kónické spojky.
Výsledkem je zlomková šířka pásma blížící se 40 %, průměrná PER přesahující 20 dB a minimální vložná ztráta přibližně 1 dB. Tyto metriky výkonu daleko převyšují metriky stávajících optických a mikrovlnných konstrukcí, které často trpí úzkou šířkou pásma a vysokou ztrátou.
Práce výzkumného týmu nejen zvyšuje efektivitu terahertzových systémů, ale také pokládá základy pro novou éru bezdrátové komunikace. Dr. Gao poznamenal: "Tato inovace je klíčovou hnací silou v odemknutí potenciálu terahertzové komunikace." Aplikace zahrnují streamování videa ve vysokém rozlišení, rozšířenou realitu a mobilní sítě nové generace, jako je 6G.
Tradiční řešení řízení terahertzové polarizace, jako jsou ortogonální převodníky (OMT) založené na pravoúhlých 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 multiplexery, včetně těch, které používají Mach-Zehnderovy interferometry nebo fotonické krystaly, nabízejí lepší integrovatelnost a nižší ztráty, ale často vyžadují kompromisy mezi šířkou pásma, kompaktností a složitostí výroby.
Směrové vazební členy jsou široce používány v optických systémech a vyžadují silný polarizační dvojlom k dosažení kompaktní velikosti a vysoké PER. Jsou však omezeny úzkou šířkou pásma a citlivostí na výrobní tolerance.
Nový multiplexor spojuje výhody kuželových směrových vazebních členů a efektivního středního opláštění, čímž překonává tato omezení. Anizotropní povlak vykazuje významný dvojlom, který zajišťuje vysokou PER v široké šířce pásma. Tento princip návrhu znamená odklon od tradičních metod a poskytuje škálovatelné a praktické řešení pro integraci terahertzů.
Experimentální ověření multiplexeru potvrdilo jeho výjimečný výkon. Zařízení pracuje efektivně v pásmu 225–330 GHz a dosahuje dílčí šířky pásma 37,8 % při zachování PER nad 20 dB. Jeho kompaktní rozměry a kompatibilita se standardními výrobními procesy jej předurčují pro hromadnou výrobu.
Dr. Gao poznamenal: "Tato inovace nejen zvyšuje účinnost terahertzových komunikačních systémů, ale také připravuje cestu pro výkonnější a spolehlivější vysokorychlostní bezdrátové sítě."
Potenciální aplikace této technologie přesahují komunikační systémy. Zlepšením využití spektra může multiplexer řídit pokrok v oblastech, jako je radar, zobrazování a internet věcí. "Očekáváme, že během deseti let budou tyto terahertzové technologie široce přijaty a integrovány v různých průmyslových odvětvích," uvedl profesor Withayachumnankul.
Multiplexer lze také bez problémů 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 dielektrického vlnovodu se středním pláštěm.
Výsledky výzkumu týmu byly publikovány v časopise Laser & Photonic Reviews, zdůrazňující jejich význam pro pokrok v technologii fotonického terahertzu. Profesor Fujita poznamenal: "Překonáním kritických technických překážek se očekává, že tato inovace podnítí zájem a výzkumnou činnost v této oblasti."
Výzkumníci předpokládají, že jejich práce bude v nadcházejících letech inspirovat nové aplikace a další technologická vylepšení, která nakonec povedou ke komerčním prototypům a produktům.
Tento multiplexor představuje významný krok vpřed v odemykání potenciálu terahertzové komunikace. Nastavuje nový standard pro integrovaná terahertzová zařízení se svými bezprecedentními metrikami výkonu.
Vzhledem k tomu, že poptávka po vysokorychlostních a vysokokapacitních komunikačních sítích neustále roste, budou takové inovace hrát zásadní roli při utváření budoucnosti bezdrátových technologií.
Čas odeslání: 16. prosince 2024