Новый тип терагерцового мультиплексора удвоил пропускную способность и значительно улучшил связь в сетях 6G, обеспечив беспрецедентную полосу пропускания и низкие потери данных.
Исследователи представили сверхширокополосный терагерцовый мультиплексор, который удваивает пропускную способность данных и открывает революционные перспективы для 6G и последующих поколений. (Источник изображения: Getty Images)
Беспроводная связь следующего поколения, представленная терагерцовой технологией, обещает произвести 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 позволило решить эту задачу: первый сверхширокополосный интегрированный терагерцовый поляризационный (де)мультиплексор, реализованный на кремниевой платформе без подложки.
Эта инновационная разработка ориентирована на субтерагерцовый диапазон J (220-330 ГГц) и призвана трансформировать коммуникационную сеть для 6G и последующих поколений. Устройство эффективно удваивает пропускную способность данных, сохраняя при этом низкий уровень потерь данных, что открывает путь к эффективным и надежным высокоскоростным беспроводным сетям.
В команду, стоящую за этим достижением, входят профессор Витават Витаячумнанкул из Школы электротехники и машиностроения Университета Аделаиды, доктор Вэйцзе Гао, в настоящее время научный сотрудник Осакского университета, и профессор Масаюки Фудзита.
Профессор Витаячумнанкул заявил: «Предложенный поляризационный мультиплексор позволяет одновременно передавать несколько потоков данных в одном и том же частотном диапазоне, фактически удваивая пропускную способность». Относительная полоса пропускания, достигаемая устройством, беспрецедентна в любом частотном диапазоне, что представляет собой значительный шаг вперед для интегрированных мультиплексоров.
Поляризационные мультиплексоры играют важнейшую роль в современных системах связи, поскольку позволяют нескольким сигналам совместно использовать один и тот же частотный диапазон, значительно увеличивая пропускную способность канала.
Новое устройство достигает этого за счет использования конических направленных ответвителей и анизотропной эффективной среды оболочки. Эти компоненты усиливают поляризационное двулучепреломление, что приводит к высокому коэффициенту подавления поляризации (PER) и широкой полосе пропускания — ключевым характеристикам эффективных терагерцовых систем связи.
В отличие от традиционных конструкций, основанных на сложных и зависящих от частоты асимметричных волноводах, новый мультиплексор использует анизотропную оболочку с лишь незначительной зависимостью от частоты. Такой подход позволяет в полной мере использовать широкую полосу пропускания, обеспечиваемую коническими ответвителями.
В результате достигается относительная полоса пропускания, близкая к 40%, средний коэффициент ошибок по источнику сигнала (PER) более 20 дБ и минимальные вносимые потери приблизительно 1 дБ. Эти показатели значительно превосходят характеристики 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: «Это нововведение является ключевым фактором в раскрытии потенциала терагерцовой связи». Области применения включают потоковую передачу видео высокой четкости, дополненную реальность и мобильные сети следующего поколения, такие как 6G.
Традиционные решения для управления поляризацией в терагерцовом диапазоне, такие как ортогональные преобразователи мод (OMT) на основе прямоугольных металлических волноводов, сталкиваются со значительными ограничениями. Металлические волноводы испытывают повышенные омические потери на высоких частотах, а процессы их изготовления сложны из-за жестких 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 полосой пропускания, компактностью и сложностью изготовления.
Направленные ответвители широко используются в оптических системах и требуют сильного поляризационного двулучепреломления для достижения компактных размеров и высокого коэффициента поляризационной эффективности (PER). Однако они ограничены узкой полосой пропускания и чувствительностью к производственным допускам.
Новый мультиплексор сочетает в себе преимущества конических направленных ответвителей и эффективной оболочки из материала-носителя, преодолевая эти ограничения. Анизотропная оболочка обладает значительным двулучепреломлением, обеспечивая высокий коэффициент персептронного усиления (PER) в широком диапазоне частот. Этот принцип проектирования отличается от традиционных методов, предоставляя масштабируемое и практичное решение для интеграции в терагерцовом диапазоне.
Экспериментальная проверка мультиплексора подтвердила его исключительные характеристики. Устройство эффективно работает в диапазоне 225-330 ГГц, достигая относительной полосы пропускания 37,8% при сохранении коэффициента ошибок PER выше 20 дБ. Компактные размеры и совместимость со стандартными производственными процессами делают его пригодным для массового производства.
Доктор Гао отметил: «Это нововведение не только повышает эффективность терагерцовых систем связи, но и открывает путь к созданию более мощных и надежных высокоскоростных беспроводных сетей».
Потенциальные области применения этой технологии выходят за рамки систем связи. Улучшая использование спектра, мультиплексор может способствовать развитию таких областей, как радиолокация, обработка изображений и Интернет вещей. «Мы ожидаем, что в течение десятилетия эти терагерцовые технологии получат широкое распространение и будут интегрированы в различные отрасли промышленности», — заявил профессор Витаячумнанкул.
Мультиплексор также может быть легко интегрирован с более ранними устройствами формирования луча, разработанными командой, что позволяет использовать расширенные коммуникационные функции на единой платформе. Эта совместимость подчеркивает универсальность и масштабируемость эффективной платформы волноводов со средней толщиной оболочки из диэлектрика.
Результаты исследований команды были опубликованы в журнале Laser & Photonic Reviews, где подчеркивается их значимость для развития фотонных терагерцовых технологий. Профессор Фудзита отметил: «Ожидается, что, преодолев критические технические барьеры, это нововведение стимулирует интерес и исследовательскую активность в этой области».
Исследователи предполагают, что их работа вдохновит на создание новых приложений и дальнейшие технологические усовершенствования в ближайшие годы, что в конечном итоге приведет к появлению 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 и высокопроизводительные сети связи продолжает расти, подобные инновации будут играть решающую роль в формировании будущего беспроводных технологий.
Дата публикации: 16 декабря 2024 г.