Ein neuartiger Terahertz-Multiplexer hat die Datenkapazität verdoppelt und die 6G-Kommunikation mit beispielloser Bandbreite und geringem Datenverlust deutlich verbessert.
Forscher haben einen Superbreitband-Terahertz-Multiplexer eingeführt, der die Datenkapazität verdoppelt und revolutionäre Fortschritte für 6G und darüber hinaus bringt. (Bildquelle: Getty Images)
Die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation, repräsentiert durch die Terahertz-Technologie, verspricht, die Datenübertragung zu revolutionieren.
Diese Systeme arbeiten mit Terahertz-Frequenzen und bieten eine beispiellose Bandbreite für ultraschnelle Datenübertragung und Kommunikation. Um dieses Potenzial voll auszuschöpfen, müssen jedoch erhebliche technische Herausforderungen bewältigt werden, insbesondere bei der Verwaltung und effektiven Nutzung des verfügbaren Spektrums.
Eine bahnbrechende Weiterentwicklung hat sich dieser Herausforderung gestellt: der erste integrierte Ultrabreitband-Terahertz-Polarisations(de)multiplexer, der auf einer substratfreien Siliziumplattform realisiert wurde.
Dieses innovative Design zielt auf das Sub-Terahertz-J-Band (220–330 GHz) ab und zielt darauf ab, die Kommunikation für 6G und darüber hinaus zu transformieren. Das Gerät verdoppelt effektiv die Datenkapazität bei gleichzeitig geringer Datenverlustrate und ebnet so den Weg für effiziente und zuverlässige drahtlose Hochgeschwindigkeitsnetzwerke.
Zum Team hinter diesem Meilenstein gehören Professor Withawat Withayachumnankul von der School of Electrical and Mechanical Engineering der University of Adelaide, Dr. Weijie Gao, jetzt Postdoktorand an der Universität Osaka, und Professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul erklärte: „Der vorgeschlagene Polarisationsmultiplexer ermöglicht die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenströme innerhalb desselben Frequenzbands, wodurch die Datenkapazität effektiv verdoppelt wird.“ Die vom Gerät erreichte relative Bandbreite ist in keinem Frequenzbereich beispiellos und stellt einen erheblichen Sprung für integrierte Multiplexer dar.
Polarisationsmultiplexer sind in der modernen Kommunikation unverzichtbar, da sie es ermöglichen, dass mehrere Signale dasselbe Frequenzband nutzen, wodurch die Kanalkapazität erheblich erhöht wird.
Das neue Gerät erreicht dies durch die Verwendung konischer Richtkoppler und einer anisotropen effektiven Medienumhüllung. Diese Komponenten verbessern die Polarisationsdoppelbrechung, was zu einem hohen Polarisationsauslöschungsverhältnis (PER) und einer großen Bandbreite führt – Schlüsselmerkmale effizienter Terahertz-Kommunikationssysteme.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Designs, die auf komplexen und frequenzabhängigen asymmetrischen Wellenleitern basieren, verwendet der neue Multiplexer eine anisotrope Ummantelung mit nur geringer Frequenzabhängigkeit. Dieser Ansatz nutzt die große Bandbreite, die die konischen Koppler bieten, voll aus.
Das Ergebnis ist eine Bruchteilsbandbreite von nahezu 40 %, ein durchschnittlicher PER von über 20 dB und ein minimaler Einfügungsverlust von etwa 1 dB. Diese Leistungskennzahlen übertreffen bei weitem diejenigen bestehender optischer und Mikrowellendesigns, die häufig unter geringer Bandbreite und hohem Verlust leiden.
Die Arbeit des Forschungsteams steigert nicht nur die Effizienz von Terahertz-Systemen, sondern legt auch den Grundstein für eine neue Ära der drahtlosen Kommunikation. Dr. Gao bemerkte: „Diese Innovation ist ein wichtiger Treiber für die Erschließung des Potenzials der Terahertz-Kommunikation.“ Zu den Anwendungen gehören hochauflösendes Videostreaming, Augmented Reality und Mobilfunknetze der nächsten Generation wie 6G.
Herkömmliche Terahertz-Polarisationsmanagementlösungen, wie z. B. Orthogonal-Mode-Wandler (OMTs), die auf rechteckigen Metallwellenleitern basieren, unterliegen erheblichen Einschränkungen. Metallwellenleiter weisen bei höheren Frequenzen erhöhte ohmsche Verluste auf und ihre Herstellungsprozesse sind aufgrund strenger geometrischer Anforderungen komplex.
Optische Polarisationsmultiplexer, einschließlich solcher, die Mach-Zehnder-Interferometer oder photonische Kristalle verwenden, bieten eine bessere Integrierbarkeit und geringere Verluste, erfordern jedoch häufig Kompromisse zwischen Bandbreite, Kompaktheit und Herstellungskomplexität.
Richtungskoppler werden häufig in optischen Systemen verwendet und erfordern eine starke Polarisationsdoppelbrechung, um eine kompakte Größe und ein hohes PER zu erreichen. Sie sind jedoch durch die geringe Bandbreite und die Empfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen begrenzt.
Der neue Multiplexer vereint die Vorteile von konischen Richtkopplern und einer effektiven Medienumhüllung und überwindet diese Einschränkungen. Die anisotrope Umhüllung weist eine erhebliche Doppelbrechung auf und gewährleistet eine hohe PER über eine große Bandbreite. Dieses Designprinzip stellt eine Abkehr von herkömmlichen Methoden dar und bietet eine skalierbare und praktische Lösung für die Terahertz-Integration.
Die experimentelle Validierung des Multiplexers bestätigte seine außergewöhnliche Leistung. Das Gerät arbeitet effizient im Bereich von 225 bis 330 GHz und erreicht eine Bruchteilsbandbreite von 37,8 % bei gleichzeitiger Beibehaltung eines PER von über 20 dB. Aufgrund seiner kompakten Größe und Kompatibilität mit Standardfertigungsprozessen eignet es sich für die Massenproduktion.
Dr. Gao bemerkte: „Diese Innovation steigert nicht nur die Effizienz von Terahertz-Kommunikationssystemen, sondern ebnet auch den Weg für leistungsfähigere und zuverlässigere drahtlose Hochgeschwindigkeitsnetzwerke.“
Die potenziellen Anwendungen dieser Technologie gehen über Kommunikationssysteme hinaus. Durch die Verbesserung der Spektrumsnutzung kann der Multiplexer Fortschritte in Bereichen wie Radar, Bildgebung und dem Internet der Dinge vorantreiben. „Wir gehen davon aus, dass diese Terahertz-Technologien innerhalb eines Jahrzehnts in verschiedenen Branchen weit verbreitet und integriert werden“, erklärte Professor Withayachumnankul.
Der Multiplexer kann auch nahtlos in frühere vom Team entwickelte Beamforming-Geräte integriert werden und ermöglicht so erweiterte Kommunikationsfunktionen auf einer einheitlichen Plattform. Diese Kompatibilität unterstreicht die Vielseitigkeit und Skalierbarkeit der effektiven dielektrischen Wellenleiterplattform mit mittlerem Mantel.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Zeitschrift Laser & Photonic Reviews veröffentlicht und unterstreichen ihre Bedeutung für die Weiterentwicklung der photonischen Terahertz-Technologie. Professor Fujita bemerkte: „Durch die Überwindung kritischer technischer Hindernisse wird erwartet, dass diese Innovation das Interesse und die Forschungsaktivitäten auf diesem Gebiet stimuliert.“
Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Arbeit in den kommenden Jahren zu neuen Anwendungen und weiteren technologischen Verbesserungen führen und letztendlich zu kommerziellen Prototypen und Produkten führen wird.
Dieser Multiplexer stellt einen bedeutenden Fortschritt bei der Erschließung des Potenzials der Terahertz-Kommunikation dar. Mit seinen beispiellosen Leistungskennzahlen setzt es einen neuen Standard für integrierte Terahertz-Geräte.
Da die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerken mit hoher Kapazität weiter wächst, werden solche Innovationen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft der drahtlosen Technologie spielen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 16. Dezember 2024