Ein neuartiger Terahertz-Multiplexer hat die Datenkapazität verdoppelt und die 6G-Kommunikation mit beispielloser Bandbreite und geringem Datenverlust deutlich verbessert.
Forscher haben einen Terahertz-Multiplexer mit extrem breiter Bandbreite 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, die Datenübertragung zu revolutionieren.
Diese Systeme arbeiten im Terahertz-Frequenzbereich und bieten eine beispiellose Bandbreite für ultraschnelle Datenübertragung und Kommunikation. Um dieses Potenzial jedoch voll auszuschöpfen, müssen erhebliche technische Herausforderungen bewältigt werden, insbesondere bei der Verwaltung und effektiven Nutzung des verfügbaren Frequenzspektrums.
Eine bahnbrechende Weiterentwicklung hat diese Herausforderung bewältigt: der erste integrierte Terahertz-Polarisations-(De)multiplexer mit ultrabreitem Frequenzband, 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 die Datenkapazität effektiv bei gleichzeitig geringer Datenverlustrate und ebnet so den Weg für effiziente und zuverlässige Hochgeschwindigkeits-Funknetze.
Zu dem Team, das diesen Meilenstein erreicht hat, gehören Professor Withawat Withayachumnankul von der Fakultät für Elektrotechnik und Maschinenbau der Universität Adelaide, Dr. Weijie Gao, der jetzt als Postdoktorand an der Universität Osaka tätig ist, und Professor Masayuki Fujita.
Professor Withayachumnankul erklärte: „Der vorgeschlagene Polarisationsmultiplexer ermöglicht die gleichzeitige Übertragung mehrerer Datenströme im selben Frequenzband und verdoppelt so effektiv die Datenkapazität.“ Die vom Gerät erreichte relative Bandbreite ist in jedem Frequenzbereich beispiellos und stellt einen bedeutenden Fortschritt für integrierte Multiplexer dar.
Polarisationsmultiplexer sind in der modernen Kommunikation unerlässlich, da sie es ermöglichen, dass mehrere Signale dasselbe Frequenzband nutzen, wodurch die Kanalkapazität erheblich erhöht wird.
Das neue Gerät erreicht dies durch den Einsatz konischer Richtkoppler und einer anisotropen effektiven Mediumummantelung. Diese Komponenten verstärken die Polarisationsdoppelbrechung, was zu einem hohen Polarisationsauslöschungsverhältnis (PER) und einer großen Bandbreite führt – Schlüsseleigenschaften 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 der konischen Koppler optimal aus.
Das Ergebnis ist eine relative Bandbreite von nahezu 40 %, ein durchschnittliches PER von über 20 dB und eine minimale Einfügungsdämpfung von etwa 1 dB. Diese Leistungskennzahlen übertreffen die bestehender optischer und Mikrowellen-Designs deutlich, die häufig 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 erklärte: „Diese Innovation ist ein Schlüsselfaktor für die Erschließung des Potenzials der Terahertz-Kommunikation.“ Zu den Anwendungsbereichen gehören hochauflösendes Videostreaming, Augmented Reality und Mobilfunknetze der nächsten Generation wie 6G.
Herkömmliche Lösungen zur Terahertz-Polarisationssteuerung, wie beispielsweise orthogonale Modenwandler (OMTs) auf Basis rechteckiger Metallhohlleiter, stoßen an erhebliche Grenzen. Metallhohlleiter 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 aber oft Kompromisse zwischen Bandbreite, Kompaktheit und Fertigungskomplexität.
Richtkoppler finden breite Anwendung in optischen Systemen und benötigen eine starke Polarisationsdoppelbrechung, um eine kompakte Bauweise und ein hohes Polarisationsverhältnis (PER) zu erreichen. Allerdings sind sie durch eine geringe Bandbreite und Empfindlichkeit gegenüber Fertigungstoleranzen eingeschränkt.
Der neue Multiplexer vereint die Vorteile konischer Richtkoppler und effektiver Mantelwellenleiter und überwindet so deren Einschränkungen. Der anisotrope Mantel weist eine signifikante Doppelbrechung auf und gewährleistet dadurch ein hohes PER über eine große Bandbreite. Dieses Designprinzip stellt einen Bruch mit traditionellen Methoden dar und bietet eine skalierbare und praktikable Lösung für die Terahertz-Integration.
Die experimentelle Validierung des Multiplexers bestätigte seine herausragende Leistungsfähigkeit. Das Gerät arbeitet effizient im Frequenzbereich von 225–330 GHz und erreicht eine relative Bandbreite von 37,8 % bei einem PER von über 20 dB. Dank seiner kompakten Bauweise und Kompatibilität mit Standardfertigungsprozessen eignet es sich für die Massenproduktion.
Dr. Gao bemerkte: „Diese Innovation verbessert nicht nur die Effizienz von Terahertz-Kommunikationssystemen, sondern ebnet auch den Weg für leistungsfähigere und zuverlässigere drahtlose Hochgeschwindigkeitsnetze.“
Die potenziellen Anwendungsgebiete dieser Technologie reichen weit über Kommunikationssysteme hinaus. Durch die verbesserte Spektrumsnutzung kann der Multiplexer Fortschritte in Bereichen wie Radar, Bildgebung und dem Internet der Dinge ermöglichen. „Wir gehen davon aus, dass diese Terahertz-Technologien innerhalb eines Jahrzehnts in verschiedenen Branchen weit verbreitet und integriert sein werden“, erklärte Professor Withayachumnankul.
Der Multiplexer lässt sich zudem nahtlos in frühere, vom Team entwickelte Beamforming-Geräte integrieren und ermöglicht so fortschrittliche Kommunikationsfunktionen auf einer einheitlichen Plattform. Diese Kompatibilität unterstreicht die Vielseitigkeit und Skalierbarkeit der effektiven dielektrischen Wellenleiterplattform mit Mediummantel.
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in der Fachzeitschrift Laser & Photonic Reviews veröffentlicht und unterstreichen deren Bedeutung für die Weiterentwicklung der photonischen Terahertz-Technologie. Professor Fujita bemerkte: „Durch die Überwindung kritischer technischer Hürden dürfte diese Innovation das Interesse und die Forschungstätigkeit auf diesem Gebiet anregen.“
Die Forscher gehen davon aus, dass ihre Arbeit in den kommenden Jahren neue Anwendungen und weitere technologische 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-Bauelemente.
Da die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits- und Hochleistungskommunikationsnetzen stetig wächst, werden solche Innovationen eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Zukunft der drahtlosen Technologie spielen.
Veröffentlichungsdatum: 16. Dezember 2024