Ný gerð terahertz-margföldunartækis hefur tvöfaldað gagnaafkastagetu og bætt 6G samskipti verulega með fordæmalausri bandvídd og litlu gagnatapi.
Rannsakendur hafa kynnt til sögunnar ofurbreiðbands terahertz margfeldisbúnað sem tvöfaldar gagnaflutningsgetu og færir byltingarkenndar framfarir í 6G og víðar. (Mynd: Getty Images)
Næsta kynslóð þráðlausra samskipta, táknuð með terahertz-tækni, lofar byltingu í gagnaflutningi.
Þessi kerfi starfa á terahertz tíðnum og bjóða upp á óviðjafnanlega bandvídd fyrir ofurhraða gagnaflutninga og samskipti. Til að nýta þennan möguleika til fulls þarf þó að yfirstíga verulegar tæknilegar áskoranir, sérstaklega við stjórnun og skilvirka nýtingu tiltæks tíðnisviðs.
Byltingarkennd framþróun hefur tekist á við þessa áskorun: fyrsti ofurbreiðbands samþætti terahertz pólunar(af)multiplexerinn sem er smíðaður á undirlagslausum kísilpalli.
Þessi nýstárlega hönnun miðar á undir-terahertz J bandið (220-330 GHz) og miðar að því að umbreyta samskiptum fyrir 6G og víðar. Tækið tvöfaldar gagnagetu í raun og veru en viðheldur lágu gagnatapi, sem ryður brautina fyrir skilvirk og áreiðanleg háhraða þráðlaus net.
Í teyminu sem stendur að þessum áfanga eru prófessor Withawat Withayachumnankul frá rafmagns- og vélaverkfræðideild Háskólans í Adelaide, Dr. Weijie Gao, sem nú er nýdoktor við Háskólann í Osaka, og prófessor Masayuki Fujita.
Prófessor Withayachumnankul sagði: „Fyrirhugaður skautunarmargfeldi gerir kleift að senda marga gagnastrauma samtímis innan sama tíðnisviðs, sem tvöfaldar í raun gagnaafkastagetu.“ Hlutfallsleg bandvídd sem tækið nær er fordæmalaus á hvaða tíðnisviði sem er, sem er verulegt stökk fyrir samþætta margfeldi.
Pólunarmargfelditæki eru nauðsynleg í nútíma samskiptum þar sem þau gera mörgum merkjum kleift að deila sama tíðnibandinu, sem eykur afkastagetu rásanna verulega.
Nýja tækið nær þessu með því að nota keilulaga stefnutengi og anisótrópíska miðilshúðun. Þessir íhlutir auka tvíbrot skautunar, sem leiðir til hátt skautunarslökkvihlutfalls (PER) og mikillar bandvíddar - lykilatriði skilvirkra terahertz samskiptakerfa.
Ólíkt hefðbundnum hönnunum sem reiða sig á flóknar og tíðniháðar ósamhverfar bylgjuleiðarar, notar nýi margfeldinn anísótrópíska klæðningu með aðeins lítilli tíðniháðni. Þessi aðferð nýtir til fulls þá miklu bandvídd sem keilulaga tengibúnaðurinn býður upp á.
Niðurstaðan er brot á bandvídd sem er nálægt 40%, meðaltal PER sem er yfir 20 dB og lágmarks innsetningartap sem er um það bil 1 dB. Þessir afkastamælikvarðar eru langt umfram þá sem núverandi ljósleiðarahönnun og örbylgjuhönnun nota, sem oft þjást af þröngri bandvídd og miklu tapi.
Vinna rannsóknarhópsins eykur ekki aðeins skilvirkni terahertz-kerfa heldur leggur einnig grunninn að nýrri öld í þráðlausum samskiptum. Dr. Gao benti á: „Þessi nýjung er lykilhvati í að opna möguleika terahertz-samskipta.“ Meðal notkunarmöguleika eru háskerpumyndbandsstreymi, aukin veruleiki og næstu kynslóðar farsímaneta eins og 6G.
Hefðbundnar lausnir fyrir pólunarstjórnun í terahertz-tíðni, eins og rétthyrndir mælikvarðar (OMT) byggðir á rétthyrndum málmbylgjuleiðurum, standa frammi fyrir verulegum takmörkunum. Málmbylgjuleiðarar verða fyrir auknu ómísku tapi við hærri tíðni og framleiðsluferli þeirra eru flókin vegna strangra rúmfræðilegra krafna.
Ljósfræðilegir pólunarmargfelditæki, þar á meðal þeir sem nota Mach-Zehnder truflunarmæla eða ljósfræðilega kristalla, bjóða upp á betri samþættingu og minni tap en krefjast oft málamiðlana milli bandvíddar, þéttleika og flækjustigs í framleiðslu.
Stefnutengi eru mikið notuð í ljóskerfum og þurfa sterka tvíbrotsgreiningu í skautun til að ná fram þéttri stærð og mikilli PER. Hins vegar eru þau takmörkuð af þröngri bandvídd og næmi fyrir framleiðsluvikmörkum.
Nýi fjölbreytibúnaðurinn sameinar kosti keilulaga stefnutengja og skilvirkrar miðilsklæðningar og vinnur þannig bug á þessum takmörkunum. Ósamhverfa klæðningin sýnir verulega tvíbrotseiginleika, sem tryggir hátt PER yfir breitt bandbreidd. Þessi hönnunarregla markar frávik frá hefðbundnum aðferðum og býður upp á stigstærða og hagnýta lausn fyrir terahertz-samþættingu.
Tilraunaprófun á margföldunartækinu staðfesti framúrskarandi afköst þess. Tækið starfar skilvirkt á sviðinu 225-330 GHz og nær 37,8% hlutfallslegri bandvídd en heldur PER yfir 20 dB. Lítil stærð þess og samhæfni við hefðbundnar framleiðsluferla gerir það hentugt til fjöldaframleiðslu.
Dr. Gao sagði: „Þessi nýjung eykur ekki aðeins skilvirkni terahertz samskiptakerfa heldur ryður hún einnig brautina fyrir öflugri og áreiðanlegri háhraða þráðlaus net.“
Möguleg notkun þessarar tækni nær lengra en samskiptakerfi. Með því að bæta nýtingu tíðnisviðs getur margfeldið knúið áfram framfarir á sviðum eins og ratsjár, myndgreiningu og internetinu hlutanna. „Innan áratugar búumst við við að þessi terahertz-tækni verði víða notuð og samþætt í ýmsar atvinnugreinar,“ sagði prófessor Withayachumnankul.
Einnig er hægt að samþætta margföldunartækið óaðfinnanlega við eldri geislamyndunartæki sem teymið þróaði, sem gerir kleift að nota háþróaða samskiptavirkni á einum vettvangi. Þessi samhæfni undirstrikar fjölhæfni og stigstærð virka miðlungshúðaða díelektríska bylgjuleiðaravettvangsins.
Niðurstöður rannsóknarhópsins hafa verið birtar í tímaritinu Laser & Photonic Reviews, þar sem lögð er áhersla á mikilvægi þeirra í þróun ljósfræðilegrar terahertz-tækni. Prófessor Fujita sagði: „Með því að yfirstíga mikilvægar tæknilegar hindranir er búist við að þessi nýjung muni örva áhuga og rannsóknarstarfsemi á þessu sviði.“
Rannsakendurnir búast við að vinna þeirra muni hvetja til nýrra notkunarmöguleika og frekari tækniframfara á komandi árum, sem að lokum leiði til frumgerða og vara í viðskiptalegum tilgangi.
Þessi fjölbreytileiki er mikilvægt skref fram á við í að nýta möguleika terahertz-samskipta. Hann setur nýjan staðal fyrir samþætt terahertz-tæki með fordæmalausum afköstum.
Þar sem eftirspurn eftir hraðvirkum og afkastamiklum samskiptanetum heldur áfram að aukast, munu slíkar nýjungar gegna lykilhlutverki í að móta framtíð þráðlausrar tækni.
Birtingartími: 16. des. 2024