Ein neuer Typ von Terahertz-Multiplexer hat die Datenkapazität verdoppelt und die 6G-Kommunikation mit beispielloser Bandbreite und geringem Datenverlust deutlich verbessert.
Forscher haben einen superbreitbandigen Terahertz-Multiplexer vorgestellt, der die Datenkapazität verdoppelt und revolutionäre Fortschritte für 6G und darüber hinaus ermöglicht. (Bildquelle: Getty Images)
Die drahtlose Kommunikation der nächsten Generation, repräsentiert durch die Terahertz-Technologie, verspricht eine Revolution in der Datenübertragung.
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.
Mit einem bahnbrechenden Fortschritt wurde diese Herausforderung bewältigt: dem ersten integrierten 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 soll die Kommunikation für 6G und darüber hinaus revolutionieren. Das Gerät verdoppelt effektiv die Datenkapazität bei gleichzeitig geringer Datenverlustrate und ebnet so den Weg für effiziente und zuverlässige drahtlose Hochgeschwindigkeitsnetze.
Zum Team hinter diesem Meilenstein gehören Professor Withawat Withayachumnankul von der Fakultät für Elektro- und Maschinenbau der Universität 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 Frequenzbandes und verdoppelt so effektiv die Datenkapazität.“ Die vom Gerät erreichte relative Bandbreite ist über alle Frequenzbereiche hinweg beispiellos und stellt einen bedeutenden Fortschritt für integrierte Multiplexer dar.
Polarisationsmultiplexer sind in der modernen Kommunikation unverzichtbar, da sie es mehreren Signalen ermöglichen, dasselbe Frequenzband gemeinsam zu nutzen, wodurch die Kanalkapazität erheblich verbessert wird.
Das neue Gerät erreicht dies durch den Einsatz konischer Richtkoppler und eines anisotropen Effektivmedium-Mantels. Diese Komponenten verstärken die Polarisationsdoppelbrechung, was zu einem hohen Polarisationsextinktionsverhältnis (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 einen anisotropen Mantel mit nur geringer Frequenzabhängigkeit. Dieser Ansatz nutzt die große Bandbreite der konischen Koppler voll aus.
Das Ergebnis ist eine Teilbandbreite von knapp 40 %, ein durchschnittlicher PER von über 20 dB und eine minimale Einfügedämpfung von ca. 1 dB. Diese Leistungskennzahlen übertreffen die Leistung bestehender optischer und Mikrowellen-Designs bei weitem, da diese oft unter geringer Bandbreite und hohen Verlusten 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 Lösungen zur Polarisationssteuerung im Terahertz-Bereich, wie beispielsweise Orthogonal Mode Transducer (OMTs) auf Basis rechteckiger Metallwellenleiter, 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 mit Mach-Zehnder-Interferometern oder photonischen Kristallen, bieten eine bessere Integrierbarkeit und geringere Verluste, erfordern jedoch oft Kompromisse zwischen Bandbreite, Kompaktheit und Fertigungskomplexität.
Richtkoppler werden häufig in optischen Systemen eingesetzt und erfordern eine starke Polarisationsdoppelbrechung, um eine kompakte Größe und einen hohen PER zu erreichen. Sie sind jedoch durch ihre geringe Bandbreite und ihre Empfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen eingeschränkt.
Der neue Multiplexer kombiniert die Vorteile konischer Richtkoppler und eines effektiven Medium-Claddings und überwindet so diese Einschränkungen. Der anisotrope Mantel weist eine signifikante Doppelbrechung auf und gewährleistet so einen hohen PER über eine große Bandbreite. Dieses Designprinzip hebt sich von herkömmlichen Methoden ab 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 Teilbandbreite von 37,8 % bei einem PER von über 20 dB. Seine kompakte Größe und die Kompatibilität mit Standardfertigungsprozessen machen ihn für die Massenproduktion geeignet.
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 verbesserte Spektrumnutzung kann der Multiplexer Fortschritte in Bereichen wie Radar, Bildgebung und dem Internet der Dinge vorantreiben. „Wir erwarten, dass diese Terahertz-Technologien innerhalb eines Jahrzehnts in verschiedenen Branchen breite Anwendung finden und integriert werden“, erklärte Professor Withayachumnankul.
Der Multiplexer lässt sich zudem nahtlos in frühere, vom Team entwickelte Beamforming-Geräte integrieren und ermöglicht so erweiterte Kommunikationsfunktionen auf einer einheitlichen Plattform. Diese Kompatibilität unterstreicht die Vielseitigkeit und Skalierbarkeit der effektiven Medium-Clad-Dielektrikum-Wellenleiter-Plattform.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Fachzeitschrift Laser & Photonic Reviews veröffentlicht und unterstreichen ihre Bedeutung für die Weiterentwicklung der photonischen Terahertz-Technologie. Professor Fujita bemerkte: „Durch die Überwindung kritischer technischer Hürden dürfte diese Innovation das Interesse und die Forschungsaktivität auf diesem Gebiet anregen.“
Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Arbeit in den kommenden Jahren zu neuen Anwendungen und weiteren technologischen Verbesserungen anregen 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 er einen neuen Standard für integrierte Terahertz-Geräte.
Da die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsnetzwerken mit hoher Kapazität weiter steigt, werden derartige Innovationen bei der Gestaltung der Zukunft der drahtlosen Technologie eine entscheidende Rolle spielen.
Veröffentlichungszeit: 16. Dezember 2024