Новый тип терагерцового мультиплексора удвоил емкость передачи данных и значительно улучшил связь 6G, обеспечив беспрецедентную пропускную способность и низкую потерю данных.
Исследователи представили сверхширокополосный терагерцовый мультиплексор, который удваивает емкость данных и обеспечивает революционные достижения для 6G и более поздних стандартов. (Источник изображения: Getty Images)
Беспроводная связь следующего поколения, представленная терагерцовой технологией, обещает произвести революцию в передаче данных.
Эти системы работают на терагерцовых частотах, предлагая непревзойденную полосу пропускания для сверхбыстрой передачи данных и связи. Однако для полной реализации этого потенциала необходимо преодолеть значительные технические трудности, особенно в управлении и эффективном использовании доступного спектра.
Решить эту задачу помогло новаторское достижение: первый сверхширокополосный интегрированный терагерцовый поляризационный (де)мультиплексор, реализованный на кремниевой платформе без подложки.
Эта инновационная разработка нацелена на субтерагерцовый диапазон J (220-330 ГГц) и призвана преобразовать связь для 6G и выше. Устройство эффективно удваивает емкость данных, сохраняя при этом низкий уровень потерь данных, прокладывая путь для эффективных и надежных высокоскоростных беспроводных сетей.
В команду, стоящую за этим знаменательным событием, вошли профессор Витават Витаячумнанкул из Школы электротехники и машиностроения Университета Аделаиды, доктор Вэйцзе Гао, ныне научный сотрудник-постдокторант Университета Осаки, и профессор Масаюки Фудзита.
Профессор Витаячумнанкул заявил: «Предлагаемый поляризационный мультиплексор позволяет передавать несколько потоков данных одновременно в одном и том же диапазоне частот, эффективно удваивая пропускную способность данных». Относительная пропускная способность, достигаемая устройством, беспрецедентна для любого диапазона частот, что представляет собой значительный скачок для интегрированных мультиплексоров.
Поляризационные мультиплексоры играют важную роль в современной связи, поскольку они позволяют нескольким сигналам совместно использовать одну и ту же полосу частот, значительно увеличивая пропускную способность канала.
Новое устройство достигает этого за счет использования конических направленных ответвителей и анизотропной эффективной оболочки среды. Эти компоненты усиливают двулучепреломление поляризации, что приводит к высокому коэффициенту экстинкции поляризации (PER) и широкой полосе пропускания — ключевым характеристикам эффективных систем связи терагерцового диапазона.
В отличие от традиционных конструкций, которые опираются на сложные и частотно-зависимые асимметричные волноводы, новый мультиплексор использует анизотропную оболочку с незначительной частотной зависимостью. Этот подход в полной мере использует широкую полосу пропускания, предоставляемую коническими ответвителями.
Результатом является дробная полоса пропускания, близкая к 40%, средний PER, превышающий 20 дБ, и минимальные вносимые потери приблизительно 1 дБ. Эти показатели производительности намного превосходят показатели существующих оптических и микроволновых конструкций, которые часто страдают от узкой полосы пропускания и высоких потерь.
Работа исследовательской группы не только повышает эффективность терагерцовых систем, но и закладывает основу для новой эры беспроводной связи. Доктор Гао отметил: «Эта инновация является ключевым фактором в раскрытии потенциала терагерцовой связи». Приложения включают потоковое видео высокой четкости, дополненную реальность и мобильные сети следующего поколения, такие как 6G.
Традиционные решения по управлению поляризацией терагерцового диапазона, такие как преобразователи ортогональных мод (OMT) на основе прямоугольных металлических волноводов, сталкиваются со значительными ограничениями. Металлические волноводы испытывают повышенные омические потери на более высоких частотах, а их производственные процессы сложны из-за строгих геометрических требований.
Оптические поляризационные мультиплексоры, в том числе использующие интерферометры Маха-Цендера или фотонные кристаллы, обеспечивают лучшую интегрируемость и меньшие потери, но часто требуют компромисса между пропускной способностью, компактностью и сложностью производства.
Направленные ответвители широко используются в оптических системах и требуют сильного поляризационного двулучепреломления для достижения компактного размера и высокого PER. Однако они ограничены узкой полосой пропускания и чувствительностью к производственным допускам.
Новый мультиплексор сочетает в себе преимущества конических направленных ответвителей и эффективной оболочки среды, преодолевая эти ограничения. Анизотропная оболочка демонстрирует значительное двулучепреломление, гарантируя высокий PER в широкой полосе пропускания. Этот принцип проектирования знаменует собой отход от традиционных методов, предоставляя масштабируемое и практичное решение для терагерцовой интеграции.
Экспериментальная проверка мультиплексора подтвердила его исключительную производительность. Устройство эффективно работает в диапазоне 225-330 ГГц, достигая дробной полосы пропускания 37,8% при сохранении PER выше 20 дБ. Его компактный размер и совместимость со стандартными производственными процессами делают его пригодным для массового производства.
Доктор Гао отметил: «Это нововведение не только повышает эффективность систем терагерцовой связи, но и прокладывает путь к более мощным и надежным высокоскоростным беспроводным сетям».
Потенциальные приложения этой технологии выходят за рамки систем связи. Улучшая использование спектра, мультиплексор может способствовать прогрессу в таких областях, как радиолокация, визуализация и Интернет вещей. «В течение десятилетия мы ожидаем, что эти терагерцовые технологии будут широко приняты и интегрированы в различные отрасли», — заявил профессор Витаячумнанкул.
Мультиплексор также может быть бесшовно интегрирован с более ранними устройствами формирования луча, разработанными командой, что обеспечивает расширенные коммуникационные функции на единой платформе. Эта совместимость подчеркивает универсальность и масштабируемость эффективной платформы волновода с диэлектрической оболочкой средней длины.
Результаты исследований группы были опубликованы в журнале Laser & Photonic Reviews, подчеркивающем их значимость в продвижении фотонной терагерцовой технологии. Профессор Фудзита заметил: «Преодолевая критические технические барьеры, это нововведение, как ожидается, будет стимулировать интерес и исследовательскую активность в этой области».
Исследователи ожидают, что их работа вдохновит на новые приложения и дальнейшие технологические усовершенствования в ближайшие годы, что в конечном итоге приведет к созданию коммерческих прототипов и продуктов.
Этот мультиплексор представляет собой значительный шаг вперед в раскрытии потенциала терагерцовой связи. Он устанавливает новый стандарт для интегрированных терагерцовых устройств с его беспрецедентными показателями производительности.
Поскольку спрос на высокоскоростные и высокопроизводительные сети связи продолжает расти, такие инновации будут играть решающую роль в формировании будущего беспроводных технологий.
Время публикации: 16 декабря 2024 г.