Новий тип терагерцового мультиплексора подвоїв ємність передачі даних та значно покращив зв'язок 6G з безпрецедентною пропускною здатністю та низьким рівнем втрати даних.
Дослідники представили надширокосмуговий терагерцовий мультиплексор, який подвоює ємність передачі даних і забезпечує революційні досягнення в 6G і далі. (Джерело зображення: Getty Images)
Бездротовий зв'язок наступного покоління, представлений терагерцовою технологією, обіцяє революціонізувати передачу даних.
Ці системи працюють на терагерцових частотах, пропонуючи неперевершену пропускну здатність для надшвидкої передачі даних та зв'язку. Однак, щоб повністю реалізувати цей потенціал, необхідно подолати значні технічні труднощі, зокрема в управлінні та ефективному використанні доступного спектру.
Новаторський прорив вирішив цю проблему: перший надширокосмуговий інтегрований терагерцовий поляризаційний (де)мультиплексор, реалізований на кремнієвій платформі без підложки.
Цей інноваційний дизайн орієнтований на субтерагерцовий діапазон J (220-330 ГГц) і має на меті трансформувати зв'язок для 6G і далі. Пристрій ефективно подвоює ємність даних, зберігаючи при цьому низький рівень втрати даних, прокладаючи шлях для ефективних і надійних високошвидкісних бездротових мереж.
До команди, яка стоїть за цим важливим досягненням, входять професор Вітават Вітаячумнанкул зі Школи електротехніки та машинобудування Аделаїдського університету, доктор Вейцзе Гао, який зараз є постдокторантом в Осакському університеті, та професор Масаюкі Фудзіта.
Професор Вітаячумнанкул заявив: «Запропонований поляризаційний мультиплексор дозволяє одночасно передавати кілька потоків даних в одному діапазоні частот, фактично подвоюючи ємність даних». Відносна пропускна здатність, досягнута пристроєм, є безпрецедентною в будь-якому діапазоні частот, що є значним кроком для інтегрованих мультиплексорів.
Поляризаційні мультиплексори є важливими в сучасному зв'язку, оскільки вони дозволяють кільком сигналам використовувати одну й ту саму смугу частот, значно збільшуючи пропускну здатність каналу.
Новий пристрій досягає цього завдяки використанню конічних спрямованих відгалужувачів та анізотропної ефективної оболонки середовища. Ці компоненти посилюють поляризаційне двопроменезаломлення, що призводить до високого коефіцієнта поляризаційного згасання (PER) та широкої смуги пропускання — ключових характеристик ефективних терагерцових систем зв'язку.
На відміну від традиційних конструкцій, що базуються на складних та частотно-залежних асиметричних хвилеводах, новий мультиплексор використовує анізотропну оболонку лише з незначною частотною залежністю. Такий підхід повністю використовує широку смугу пропускання, що забезпечується конічними розгалужувачами.
Результатом є відносна смуга пропускання близька до 40%, середній коефіцієнт PER перевищує 20 дБ, а мінімальні внесені втрати становлять приблизно 1 дБ. Ці показники продуктивності значно перевершують показники існуючих оптичних та мікрохвильових конструкцій, які часто страждають від вузької смуги пропускання та високих втрат.
Робота дослідницької групи не лише підвищує ефективність терагерцових систем, але й закладає основу для нової ери бездротового зв'язку. Доктор Гао зазначив: «Це нововведення є ключовим фактором у розкритті потенціалу терагерцового зв'язку». Застосування включають потокове відео високої чіткості, доповнену реальність та мобільні мережі наступного покоління, такі як 6G.
Традиційні терагерцові рішення для керування поляризацією, такі як ортогональні модові перетворювачі (ОМП) на основі прямокутних металевих хвилеводів, стикаються зі значними обмеженнями. Металеві хвилеводи зазнають підвищених омічних втрат на вищих частотах, а їхні виробничі процеси складні через суворі геометричні вимоги.
Оптичні поляризаційні мультиплексори, включаючи ті, що використовують інтерферометри Маха-Цендера або фотонні кристали, пропонують кращу інтегрованість та менші втрати, але часто вимагають компромісів між пропускною здатністю, компактністю та складністю виробництва.
Спрямовані відгалужувачі широко використовуються в оптичних системах і вимагають сильного поляризаційного двопроменезаломлення для досягнення компактних розмірів і високого PER. Однак вони обмежені вузькою смугою пропускання та чутливістю до виробничих допусків.
Новий мультиплексор поєднує переваги конічних спрямованих відгалужувачів та ефективної оболонки середовища, долаючи ці обмеження. Анізотропна оболонка демонструє значне двопроменезаломлення, що забезпечує високий коефіцієнт перференційної ефективності (PER) у широкій смузі пропускання. Цей принцип проектування знаменує собою відхід від традиційних методів, забезпечуючи масштабоване та практичне рішення для інтеграції терагерцового діапазону.
Експериментальна перевірка мультиплексора підтвердила його виняткову продуктивність. Пристрій ефективно працює в діапазоні 225-330 ГГц, досягаючи часткової пропускної здатності 37,8% при цьому підтримуючи коефіцієнт PER вище 20 дБ. Його компактний розмір та сумісність зі стандартними виробничими процесами роблять його придатним для масового виробництва.
Д-р Гао зазначив: «Це нововведення не лише підвищує ефективність терагерцових систем зв’язку, але й прокладає шлях для потужніших та надійніших високошвидкісних бездротових мереж».
Потенційне застосування цієї технології виходить за межі систем зв'язку. Покращуючи використання спектру, мультиплексор може стимулювати прогрес у таких галузях, як радар, візуалізація та Інтернет речей. «Протягом десятиліття ми очікуємо, що ці терагерцові технології будуть широко впроваджені та інтегровані в різні галузі промисловості», – заявив професор Вітаячумнанкул.
Мультиплексор також може бути безперешкодно інтегрований з попередніми пристроями формування променя, розробленими командою, що забезпечує розширені комунікаційні функції на єдиній платформі. Ця сумісність підкреслює універсальність та масштабованість ефективної платформи хвилеводів із діелектричною оболонкою в середовищі.
Результати дослідження команди були опубліковані в журналі Laser & Photonic Reviews, де підкреслюється їх значення для розвитку фотонної терагерцової технології. Професор Фудзіта зазначив: «Подолаючи критичні технічні бар'єри, очікується, що це нововведення стимулюватиме інтерес та дослідницьку активність у цій галузі».
Дослідники очікують, що їхня робота надихне на нові застосування та подальші технологічні вдосконалення в найближчі роки, що зрештою призведе до комерційних прототипів та продуктів.
Цей мультиплексор є значним кроком уперед у розкритті потенціалу терагерцового зв'язку. Він встановлює новий стандарт для інтегрованих терагерцових пристроїв завдяки своїм безпрецедентним показникам продуктивності.
Оскільки попит на високошвидкісні мережі зв'язку з високою пропускною здатністю продовжує зростати, такі інновації відіграватимуть вирішальну роль у формуванні майбутнього бездротових технологій.
Час публікації: 16 грудня 2024 р.