Новый тип терагерцового мультиплексора удвоил емкость передачи данных и значительно улучшил связь 6G с беспрецедентной пропускной способностью и низкими потерями данных.
Исследователи представили сверхширокополосный терагерцовый мультиплексор, который удваивает емкость данных и обеспечивает революционные достижения в 6G и за его пределами. (Источник изображения: Getty Images)
Беспроводная связь следующего поколения, представленная терагерцовой технологией, обещает совершить революцию в передаче данных.
Эти системы работают на терагерцовых частотах, обеспечивая беспрецедентную полосу пропускания для сверхбыстрой передачи данных и связи. Однако для полной реализации этого потенциала необходимо преодолеть значительные технические проблемы, особенно в управлении и эффективном использовании доступного спектра.
Революционное достижение решило эту проблему: первый сверхширокополосный интегрированный поляризационный (де)мультиплексор терагерцового диапазона, реализованный на кремниевой платформе без подложки.
Эта инновационная конструкция ориентирована на субтерагерцовый J-диапазон (220–330 ГГц) и призвана преобразовать связь для 6G и выше. Устройство эффективно удваивает емкость данных, сохраняя при этом низкую скорость потери данных, открывая путь для эффективных и надежных высокоскоростных беспроводных сетей.
В команду, стоящую за этим достижением, входят профессор Витивават Витаячумнанкул из Школы электротехники и машиностроения Университета Аделаиды, доктор Вейцзе Гао, ныне постдокторант в Университете Осаки, и профессор Масаюки Фудзита.
Профессор Витаячумнанкул заявил: «Предлагаемый поляризационный мультиплексор позволяет передавать несколько потоков данных одновременно в одном и том же частотном диапазоне, эффективно удваивая емкость данных». Относительная полоса пропускания, достигаемая устройством, является беспрецедентной во всех диапазонах частот, что представляет собой значительный скачок для интегрированных мультиплексоров.
Поляризационные мультиплексоры необходимы в современной связи, поскольку они позволяют нескольким сигналам использовать одну и ту же полосу частот, что значительно увеличивает пропускную способность канала.
Новое устройство достигает этого за счет использования конических направленных ответвителей и анизотропной оболочки эффективной среды. Эти компоненты усиливают поляризационное двойное лучепреломление, что приводит к высокому коэффициенту затухания поляризации (PER) и широкой полосе пропускания — ключевым характеристикам эффективных терагерцовых систем связи.
В отличие от традиционных конструкций, в которых используются сложные и частотно-зависимые асимметричные волноводы, в новом мультиплексоре используется анизотропная оболочка с лишь незначительной частотной зависимостью. Этот подход полностью использует широкую полосу пропускания, обеспечиваемую коническими соединителями.
Результатом является дробная полоса пропускания, близкая к 40%, средний коэффициент PER превышает 20 дБ и минимальные вносимые потери примерно 1 дБ. Эти показатели производительности намного превосходят показатели существующих оптических и микроволновых систем, 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 нового поколения, такие как 6G.
Традиционные решения по управлению терагерцовой поляризацией, 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 процессы их производства сложны из-за строгих геометрических требований.
Мультиплексоры оптической поляризации, в том числе использующие интерферометры Маха-Цендера или фотонные кристаллы, обеспечивают лучшую интегрируемость и меньшие потери, но часто требуют компромисса между полосой пропускания, компактностью и сложностью производства.
Направленные ответвители широко используются в оптических системах и требуют сильного поляризационного двойного лучепреломления для достижения компактных размеров 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 двойное лучепреломление, обеспечивая высокий показатель PER в широкой полосе пропускания. Этот принцип проектирования знаменует собой отход от традиционных методов, обеспечивая масштабируемое и практичное решение для интеграции терагерцового диапазона.
Экспериментальная проверка мультиплексора подтвердила его исключительные характеристики. Устройство эффективно работает в диапазоне 225–330 ГГц, достигая дробной полосы пропускания 37,8% при сохранении PER выше 20 дБ. Компактный размер и совместимость со стандартными производственными процессами делают его пригодным для массового производства.
Доктор Гао отметил: «Эта инновация не только повышает эффективность терагерцовых систем связи, но и открывает путь к более мощным и надежным высокоскоростным беспроводным сетям».
Потенциальные применения этой технологии выходят за рамки систем связи. Улучшая использование спектра, мультиплексор может способствовать прогрессу в таких областях, как радар, обработка изображений и Интернет вещей. «Мы ожидаем, что в течение десятилетия эти терагерцовые технологии получат широкое распространение и будут интегрированы в различные отрасли», — заявил профессор Витаячумнанкул.
Мультиплексор также можно легко интегрировать с более ранними устройствами формирования диаграммы направленности, разработанными командой, что обеспечивает расширенные функции связи на единой платформе. Такая совместимость подчеркивает универсальность и масштабируемость эффективной платформы волноводов из диэлектрика со средней оболочкой.
Результаты исследования команды были опубликованы в журнале Laser & Photonic Reviews, подчеркивая их значение в продвижении фотонной терагерцовой технологии. Профессор Фудзита отметил: «Преодолевая критические технические барьеры, эта инновация, как ожидается, будет стимулировать интерес и исследовательскую деятельность в этой области».
Исследователи ожидают, что их работа вдохновит на новые применения 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 благодаря беспрецедентным показателям производительности.
Поскольку спрос на высокоскоростные сети связи с высокой пропускной способностью продолжает расти, такие инновации будут играть решающую роль в формировании будущего беспроводных технологий.
Время публикации: 16 декабря 2024 г.