Nový typ terahertzového multiplexora zdvojnásobil dátovú kapacitu a výrazne zlepšil komunikáciu 6G s bezprecedentnou šírkou pásma a nízkou stratou dát.
Výskumníci predstavili superširokopásmový terahertzový multiplexor, ktorý zdvojnásobuje dátovú kapacitu a prináša revolučný pokrok do sietí 6G a ďalších oblastí. (Zdroj obrázka: Getty Images)
Bezdrôtová komunikácia novej generácie, ktorú predstavuje terahertzová technológia, sľubuje revolúciu v prenose dát.
Tieto systémy pracujú na terahertzových frekvenciách a ponúkajú bezkonkurenčnú šírku pásma pre ultrarýchly prenos dát a komunikáciu. Na plné využitie tohto potenciálu je však potrebné prekonať značné technické výzvy, najmä v oblasti správy a efektívneho využívania dostupného spektra.
Túto výzvu rieši prelomový pokrok: prvý ultraširokopásmový integrovaný terahertzový polarizačný (de)multiplexor realizovaný na kremíkovej platforme bez substrátu.
Tento inovatívny dizajn sa zameriava na subterahertzové pásmo J (220 – 330 GHz) a jeho cieľom je transformovať komunikáciu pre siete 6G a vyššie. Zariadenie efektívne zdvojnásobuje dátovú kapacitu a zároveň zachováva nízku mieru straty dát, čím pripravuje cestu pre efektívne a spoľahlivé vysokorýchlostné bezdrôtové siete.
Tím, ktorý stojí za týmto míľnikom, zahŕňa profesora Withawata Withayachumnankula z Fakulty elektrotechniky a strojárstva Univerzity v Adelaide, Dr. Weijie Gao, teraz postdoktorandského výskumníka na Univerzite v Osake, a profesora Masayuki Fujitu.
Profesor Withayachumnankul uviedol: „Navrhovaný polarizačný multiplexor umožňuje súčasný prenos viacerých dátových prúdov v rámci toho istého frekvenčného pásma, čím sa efektívne zdvojnásobí dátová kapacita.“ Relatívna šírka pásma dosiahnutá zariadením je v akomkoľvek frekvenčnom rozsahu bezprecedentná, čo predstavuje významný skok pre integrované multiplexory.
Polarizačné multiplexory sú v modernej komunikácii nevyhnutné, pretože umožňujú zdieľanie viacerých signálov v rovnakom frekvenčnom pásme, čím výrazne zvyšujú kapacitu kanála.
Nové zariadenie to dosahuje využitím kužeľových smerových väzobných členov a anizotropného efektívneho plášťa média. Tieto komponenty zvyšujú dvojlom polarizácie, čo vedie k vysokému pomeru extinkcie polarizácie (PER) a širokej šírke pásma – kľúčovým vlastnostiam efektívnych terahertzových komunikačných systémov.
Na rozdiel od tradičných konštrukcií, ktoré sa spoliehajú na komplexné a frekvenčne závislé asymetrické vlnovody, nový multiplexor využíva anizotropné plášťovanie s iba malou frekvenčnou závislosťou. Tento prístup plne využíva rozsiahlu šírku pásma, ktorú poskytujú kužeľové spojky.
Výsledkom je frakčná šírka pásma blízka 40 %, priemerný PER presahujúci 20 dB a minimálny vložený útlm približne 1 dB. Tieto výkonnostné metriky ďaleko prevyšujú existujúcich optických a mikrovlnných konštrukcií, ktoré často trpia úzkou šírkou pásma a vysokými stratami.
Práca výskumného tímu nielen zvyšuje efektivitu terahertzových systémov, ale tiež kladie základy pre novú éru bezdrôtovej komunikácie. Dr. Gao poznamenal: „Táto inovácia je kľúčovým faktorom pri odomykaní potenciálu terahertzovej komunikácie.“ Medzi aplikácie patrí streamovanie videa vo vysokom rozlíšení, rozšírená realita a mobilné siete novej generácie, ako je 6G.
Tradičné terahertzové riešenia riadenia polarizácie, ako sú ortogonálne módové meniče (OMT) založené na obdĺžnikových kovových vlnovodoch, čelia značným obmedzeniam. Kovové vlnovody vykazujú zvýšené ohmické straty pri vyšších frekvenciách a ich výrobné procesy sú zložité kvôli prísnym geometrickým požiadavkám.
Optické polarizačné multiplexory, vrátane tých, ktoré používajú Mach-Zehnderov interferometre alebo fotonické kryštály, ponúkajú lepšiu integrovateľnosť a nižšie straty, ale často vyžadujú kompromisy medzi šírkou pásma, kompaktnosťou a zložitosťou výroby.
Smerové väzobné členy sa široko používajú v optických systémoch a vyžadujú silný polarizačný dvojlom na dosiahnutie kompaktných rozmerov a vysokého PER. Sú však obmedzené úzkou šírkou pásma a citlivosťou na výrobné tolerancie.
Nový multiplexor kombinuje výhody kužeľových smerových väzobných členov a efektívneho stredného plášťa, čím prekonáva tieto obmedzenia. Anizotropný plášť vykazuje výrazný dvojlom, čo zabezpečuje vysoký PER v širokom pásme. Tento konštrukčný princíp predstavuje odklon od tradičných metód a poskytuje škálovateľné a praktické riešenie pre terahertzovú integráciu.
Experimentálne overenie multiplexora potvrdilo jeho výnimočný výkon. Zariadenie pracuje efektívne v rozsahu 225 – 330 GHz, pričom dosahuje relatívnu šírku pásma 37,8 % a zároveň si udržiava PER nad 20 dB. Jeho kompaktné rozmery a kompatibilita so štandardnými výrobnými procesmi ho predurčujú na hromadnú výrobu.
Dr. Gao poznamenal: „Táto inovácia nielen zvyšuje efektivitu terahertzových komunikačných systémov, ale tiež pripravuje cestu pre výkonnejšie a spoľahlivejšie vysokorýchlostné bezdrôtové siete.“
Potenciálne využitie tejto technológie presahuje rámec komunikačných systémov. Zlepšením využitia spektra môže multiplexor viesť k pokroku v oblastiach, ako je radar, zobrazovanie a internet vecí. „V priebehu desaťročia očakávame, že tieto terahertzové technológie budú široko prijaté a integrované v rôznych odvetviach,“ uviedol profesor Withayachumnankul.
Multiplexor sa dá bezproblémovo integrovať aj so skoršími zariadeniami na tvarovanie lúča vyvinutými tímom, čo umožňuje pokročilé komunikačné funkcie na jednotnej platforme. Táto kompatibilita zdôrazňuje všestrannosť a škálovateľnosť efektívnej platformy dielektrických vlnovodov s plášťom média.
Výsledky výskumu tímu boli publikované v časopise Laser & Photonic Reviews, pričom sa zdôrazňuje ich význam pre rozvoj fotonickej terahertzovej technológie. Profesor Fujita poznamenal: „Prekonaním kritických technických bariér sa očakáva, že táto inovácia stimuluje záujem a výskumnú aktivitu v tejto oblasti.“
Výskumníci očakávajú, že ich práca v nasledujúcich rokoch inšpiruje nové aplikácie a ďalšie technologické vylepšenia, čo v konečnom dôsledku povedie ku komerčným prototypom a produktom.
Tento multiplexor predstavuje významný krok vpred v odomknutí potenciálu terahertzovej komunikácie. Svojimi bezprecedentnými výkonnostnými metrikami stanovuje nový štandard pre integrované terahertzové zariadenia.
Keďže dopyt po vysokorýchlostných komunikačných sieťach s vysokou kapacitou neustále rastie, takéto inovácie budú hrať kľúčovú úlohu pri formovaní budúcnosti bezdrôtových technológií.
Čas uverejnenia: 16. decembra 2024