Uudentyyppinen terahertsimultiplekseri on kaksinkertaistanut datakapasiteetin ja parantanut merkittävästi 6G-tiedonsiirtoa ennennäkemättömällä kaistanleveydellä ja pienellä datahäviöllä.
Tutkijat ovat esitelleet erittäin laajakaistaisen terahertsimultiplekserin, joka kaksinkertaistaa datakapasiteetin ja tuo mullistavia edistysaskeleita 6G-verkkoihin ja niiden ulkopuolelle. (Kuvalähde: Getty Images)
Terahertsiteknologian edustama seuraavan sukupolven langaton viestintä lupaa mullistaa tiedonsiirron.
Nämä järjestelmät toimivat terahertsitaajuuksilla, mikä tarjoaa vertaansa vailla olevan kaistanleveyden erittäin nopeaan tiedonsiirtoon ja tiedonsiirtoon. Tämän potentiaalin täysimääräinen hyödyntäminen edellyttää kuitenkin merkittävien teknisten haasteiden voittamista, erityisesti käytettävissä olevan spektrin hallinnassa ja tehokkaassa hyödyntämisessä.
Uraauurtava edistysaskel on vastannut tähän haasteeseen: ensimmäinen ultralaajakaistainen integroitu terahertsipolarisaatio(de)multiplekseri, joka on toteutettu substraattivapaalle piialustalle.
Tämä innovatiivinen suunnittelu kohdistuu alle terahertsin J-kaistaan (220–330 GHz) ja pyrkii mullistamaan tiedonsiirron 6G:hen ja sitä myöhempään. Laite kaksinkertaistaa tehokkaasti datakapasiteetin pitäen samalla tiedonhävikkiasteen alhaisena, mikä avaa tien tehokkaille ja luotettaville nopeaille langattomille verkoille.
Tämän virstanpylvään takana olevaan tiimiin kuuluvat professori Withawat Withayachumnankul Adelaiden yliopiston sähkö- ja konetekniikan tiedekunnasta, Osakan yliopistossa nykyään post doc -tutkijana työskentelevä tohtori Weijie Gao ja professori Masayuki Fujita.
Professori Withayachumnankul totesi: "Ehdotettu polarisaatiomultiplekseri mahdollistaa useiden datavirtojen lähettämisen samanaikaisesti samalla taajuuskaistalla, mikä käytännössä kaksinkertaistaa datakapasiteetin." Laitteen saavuttama suhteellinen kaistanleveys on ennennäkemätön millään taajuusalueella, mikä edustaa merkittävää harppausta integroiduille multipleksereille.
Polarisaatiomultiplekserit ovat välttämättömiä nykyaikaisessa viestinnässä, koska ne mahdollistavat useiden signaalien jakamisen samalla taajuuskaistalla, mikä parantaa merkittävästi kanavakapasiteettia.
Uusi laite saavuttaa tämän käyttämällä kartiomaisia suuntakytkimiä ja anisotrooppista tehokasta väliainekuorta. Nämä komponentit parantavat polarisaation kahtaistaitettavuutta, mikä johtaa korkeaan polarisaation ekstinktiosuhteeseen (PER) ja laajaan kaistanleveyteen – tehokkaiden terahertsitaajuisten tietoliikennejärjestelmien keskeisiin ominaisuuksiin.
Toisin kuin perinteiset rakenteet, jotka perustuvat monimutkaisiin ja taajuusriippuvaisiin epäsymmetrisiin aaltojohteisiin, uusi multiplekseri käyttää anisotrooppista verhousta, jonka taajuusriippuvuus on vähäinen. Tämä lähestymistapa hyödyntää täysimääräisesti kartiomaisten kytkimien tarjoamaa runsasta kaistanleveyttä.
Tuloksena on lähes 40 %:n suhteellinen kaistanleveys, keskimääräinen yli 20 dB:n PER ja vähintään noin 1 dB:n väliinkytkentähäviö. Nämä suorituskykymittarit ylittävät huomattavasti nykyisten optisten ja mikroaaltorakenteiden tulokset, jotka usein kärsivät kapeasta kaistanleveydestä ja suuresta häviöstä.
Tutkimusryhmän työ ei ainoastaan paranna terahertsijärjestelmien tehokkuutta, vaan myös luo pohjan langattoman viestinnän uudelle aikakaudelle. Tohtori Gao totesi: "Tämä innovaatio on keskeinen ajuri terahertsiviestinnän potentiaalin vapauttamisessa." Sovelluksia ovat teräväpiirtovideoiden suoratoisto, lisätty todellisuus ja seuraavan sukupolven mobiiliverkot, kuten 6G.
Perinteiset terahertsipolarisaation hallintaratkaisut, kuten suorakaiteen muotoisiin metalliaaltojohtimiin perustuvat ortogonaalimoodimuuntimet (OMT), kohtaavat merkittäviä rajoituksia. Metalliaaltojohtimissa on lisääntyneitä ohmisia häviöitä korkeammilla taajuuksilla, ja niiden valmistusprosessit ovat monimutkaisia tiukkojen geometristen vaatimusten vuoksi.
Optiset polarisaatiomultiplekserit, mukaan lukien Mach-Zehnder-interferometrejä tai fotonisia kiteitä käyttävät, tarjoavat paremman integroitavuuden ja pienemmät häviöt, mutta vaativat usein kompromisseja kaistanleveyden, kompaktiuden ja valmistuksen monimutkaisuuden välillä.
Suuntakytkimiä käytetään laajalti optisissa järjestelmissä, ja ne vaativat voimakasta polarisaatiokaksoistaittoisuutta saavuttaakseen kompaktin koon ja korkean PER:n. Niitä kuitenkin rajoittaa kapea kaistanleveys ja herkkyys valmistustoleranssien suhteen.
Uusi multiplekseri yhdistää kartiomaisten suuntakytkimien ja tehokkaan väliainekuoren edut ja poistaa nämä rajoitukset. Anisotrooppinen kuori osoittaa merkittävää kahtaistaitetta, mikä varmistaa korkean PER:n laajalla kaistanleveydellä. Tämä suunnitteluperiaate poikkeaa perinteisistä menetelmistä ja tarjoaa skaalautuvan ja käytännöllisen ratkaisun terahertsi-integrointiin.
Multiplekserin kokeellinen validointi vahvisti sen poikkeuksellisen suorituskyvyn. Laite toimii tehokkaasti 225–330 GHz:n taajuusalueella ja saavuttaa 37,8 %:n suhteellisen kaistanleveyden samalla, kun PER-arvo pysyy yli 20 dB:n. Sen kompakti koko ja yhteensopivuus standardien valmistusprosessien kanssa tekevät siitä sopivan massatuotantoon.
Tohtori Gao huomautti: "Tämä innovaatio ei ainoastaan paranna terahertsiviestintäjärjestelmien tehokkuutta, vaan myös tasoittaa tietä tehokkaammille ja luotettavammille nopeille langattomille verkoille."
Tämän teknologian potentiaaliset sovellukset ulottuvat viestintäjärjestelmien ulkopuolelle. Parantamalla spektrin käyttöä multiplekseri voi edistää kehitystä esimerkiksi tutka-, kuvantamis- ja esineiden internet-aloilla. "Odotamme, että vuosikymmenen kuluessa nämä terahertsiteknologiat otetaan laajalti käyttöön ja integroidaan eri toimialoilla", professori Withayachumnankul totesi.
Multiplekseri voidaan myös integroida saumattomasti tiimin aiemmin kehittämien säteenmuodostuslaitteiden kanssa, mikä mahdollistaa edistyneet tietoliikennetoiminnot yhtenäisellä alustalla. Tämä yhteensopivuus korostaa tehokkaan keskipitkällä päällystettyjen dielektristen aaltojohtimien monipuolisuutta ja skaalautuvuutta.
Tutkimusryhmän tutkimustulokset on julkaistu Laser & Photonic Reviews -lehdessä, ja niissä korostetaan niiden merkitystä fotonisen terahertsiteknologian kehittämisessä. Professori Fujita huomautti: "Ylittämällä kriittiset tekniset esteet tämän innovaation odotetaan herättävän kiinnostusta ja tutkimustoimintaa alalla."
Tutkijat odottavat, että heidän työnsä inspiroi uusia sovelluksia ja teknologisia parannuksia tulevina vuosina, mikä lopulta johtaa kaupallisiin prototyyppeihin ja tuotteisiin.
Tämä multiplekseri edustaa merkittävää askelta eteenpäin terahertsitiedonsiirron potentiaalin vapauttamisessa. Se asettaa uuden standardin integroiduille terahertsilaitteille ennennäkemättömillä suorituskykymittareillaan.
Koska nopeiden ja suuren kapasiteetin tietoliikenneverkkojen kysyntä kasvaa jatkuvasti, tällaisilla innovaatioilla on ratkaiseva rooli langattoman teknologian tulevaisuuden muokkaamisessa.
Julkaisun aika: 16.12.2024