Un nuovo tipo di multiplexer terahertz ha raddoppiato la capacità dei dati e migliorato significativamente la comunicazione 6G con una larghezza di banda senza precedenti e una bassa perdita di dati.
I ricercatori hanno introdotto un multiplexer terahertz a banda superlarga che raddoppia la capacità di trasmissione dati e introduce innovazioni rivoluzionarie per il 6G e oltre. (Fonte immagine: Getty Images)
La comunicazione wireless di nuova generazione, rappresentata dalla tecnologia terahertz, promette di rivoluzionare la trasmissione dei dati.
Questi sistemi operano a frequenze terahertz, offrendo una larghezza di banda senza pari per la trasmissione e la comunicazione di dati ultraveloci. Tuttavia, per sfruttare appieno questo potenziale, è necessario superare sfide tecniche significative, in particolare nella gestione e nell'utilizzo efficace dello spettro disponibile.
Un progresso rivoluzionario ha affrontato questa sfida: il primo (de)multiplexer a polarizzazione terahertz integrato a banda ultralarga realizzato su una piattaforma in silicio senza substrato.
Questo design innovativo punta alla banda J sub-terahertz (220-330 GHz) e mira a trasformare la comunicazione per il 6G e oltre. Il dispositivo raddoppia efficacemente la capacità di trasmissione dati mantenendo un basso tasso di perdita, aprendo la strada a reti wireless ad alta velocità efficienti e affidabili.
Il team dietro a questo traguardo comprende il professor Withawat Withayachumnankul della Facoltà di Ingegneria elettrica e meccanica dell'Università di Adelaide, il dottor Weijie Gao, ora ricercatore post-dottorato presso l'Università di Osaka, e il professor Masayuki Fujita.
Il professor Withayachumnankul ha dichiarato: "Il multiplexer di polarizzazione proposto consente la trasmissione simultanea di più flussi di dati all'interno della stessa banda di frequenza, raddoppiando di fatto la capacità di trasmissione dei dati". La larghezza di banda relativa raggiunta dal dispositivo è senza precedenti in qualsiasi intervallo di frequenza, rappresentando un balzo in avanti significativo per i multiplexer integrati.
I multiplexer di polarizzazione sono essenziali nelle comunicazioni moderne poiché consentono a più segnali di condividere la stessa banda di frequenza, migliorando significativamente la capacità del canale.
Il nuovo dispositivo raggiunge questo obiettivo utilizzando accoppiatori direzionali conici e un rivestimento anisotropico del mezzo efficace. Questi componenti migliorano la birifrangenza di polarizzazione, con conseguente elevato rapporto di estinzione di polarizzazione (PER) e ampia larghezza di banda, caratteristiche chiave per sistemi di comunicazione terahertz efficienti.
A differenza dei progetti tradizionali che si basano su guide d'onda asimmetriche complesse e dipendenti dalla frequenza, il nuovo multiplexer impiega un rivestimento anisotropico con una dipendenza dalla frequenza solo minima. Questo approccio sfrutta appieno l'ampia larghezza di banda offerta dagli accoppiatori conici.
Il risultato è una larghezza di banda frazionaria prossima al 40%, un PER medio superiore a 20 dB e una perdita di inserzione minima di circa 1 dB. Questi parametri prestazionali superano di gran lunga quelli dei progetti ottici e a microonde esistenti, che spesso presentano una larghezza di banda ridotta e un'elevata perdita.
Il lavoro del team di ricerca non solo migliora l'efficienza dei sistemi terahertz, ma getta anche le basi per una nuova era nelle comunicazioni wireless. Il Dott. Gao ha osservato: "Questa innovazione è un fattore chiave per liberare il potenziale della comunicazione terahertz". Le applicazioni includono lo streaming video ad alta definizione, la realtà aumentata e le reti mobili di nuova generazione come il 6G.
Le soluzioni tradizionali per la gestione della polarizzazione terahertz, come i trasduttori di modo ortogonale (OMT) basati su guide d'onda metalliche rettangolari, presentano notevoli limitazioni. Le guide d'onda metalliche subiscono maggiori perdite ohmiche alle frequenze più elevate e i loro processi di produzione sono complessi a causa dei rigorosi requisiti geometrici.
I multiplexer a polarizzazione ottica, compresi quelli che utilizzano interferometri di Mach-Zehnder o cristalli fotonici, offrono una migliore integrabilità e minori perdite, ma spesso richiedono compromessi tra larghezza di banda, compattezza e complessità di produzione.
Gli accoppiatori direzionali sono ampiamente utilizzati nei sistemi ottici e richiedono una forte birifrangenza di polarizzazione per ottenere dimensioni compatte e un PER elevato. Tuttavia, sono limitati dalla larghezza di banda ridotta e dalla sensibilità alle tolleranze di fabbricazione.
Il nuovo multiplexer combina i vantaggi degli accoppiatori direzionali conici e di un efficace rivestimento del mezzo, superando queste limitazioni. Il rivestimento anisotropico presenta una significativa birifrangenza, garantendo un PER elevato su un'ampia larghezza di banda. Questo principio di progettazione segna un distacco dai metodi tradizionali, offrendo una soluzione scalabile e pratica per l'integrazione terahertz.
La validazione sperimentale del multiplexer ne ha confermato le prestazioni eccezionali. Il dispositivo opera in modo efficiente nella gamma 225-330 GHz, raggiungendo una larghezza di banda frazionaria del 37,8% e mantenendo un PER superiore a 20 dB. Le sue dimensioni compatte e la compatibilità con i processi di produzione standard lo rendono adatto alla produzione di massa.
Il dott. Gao ha osservato: "Questa innovazione non solo migliora l'efficienza dei sistemi di comunicazione terahertz, ma apre anche la strada a reti wireless ad alta velocità più potenti e affidabili".
Le potenziali applicazioni di questa tecnologia vanno oltre i sistemi di comunicazione. Migliorando l'utilizzo dello spettro, il multiplexer può favorire progressi in settori come la radaristica, l'imaging e l'Internet delle cose. "Entro un decennio, prevediamo che queste tecnologie terahertz saranno ampiamente adottate e integrate in diversi settori", ha affermato il professor Withayachumnankul.
Il multiplexer può inoltre essere perfettamente integrato con i dispositivi di beamforming precedentemente sviluppati dal team, consentendo funzionalità di comunicazione avanzate su una piattaforma unificata. Questa compatibilità evidenzia la versatilità e la scalabilità dell'efficace piattaforma di guida d'onda dielettrica a rivestimento medio.
I risultati della ricerca del team sono stati pubblicati sulla rivista Laser & Photonic Reviews, sottolineandone l'importanza nel progresso della tecnologia fotonica terahertz. Il professor Fujita ha osservato: "Superando barriere tecniche critiche, si prevede che questa innovazione stimolerà l'interesse e l'attività di ricerca nel settore".
I ricercatori prevedono che il loro lavoro ispirerà nuove applicazioni e ulteriori miglioramenti tecnologici nei prossimi anni, portando infine alla creazione di prototipi e prodotti commerciali.
Questo multiplexer rappresenta un significativo passo avanti nello sfruttamento del potenziale delle comunicazioni terahertz. Stabilisce un nuovo standard per i dispositivi terahertz integrati con parametri prestazionali senza precedenti.
Poiché la domanda di reti di comunicazione ad alta velocità e capacità continua a crescere, tali innovazioni svolgeranno un ruolo cruciale nel plasmare il futuro della tecnologia wireless.
Data di pubblicazione: 16-12-2024