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 super larga che raddoppia la capacità dei dati e apporta progressi rivoluzionari al 6G e oltre. (Fonte immagine: Getty Images)
La comunicazione wireless di prossima generazione, rappresentata dalla tecnologia terahertz, promette di rivoluzionare la trasmissione dei dati.
Questi sistemi funzionano a frequenze terahertz, offrendo una larghezza di banda senza precedenti per la trasmissione e la comunicazione di dati ultraveloci. Tuttavia, per realizzare 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 integrato con polarizzazione terahertz a banda ultralarga realizzato su una piattaforma di silicio priva di substrato.
Questo design innovativo si rivolge alla banda J sub-terahertz (220-330 GHz) e mira a trasformare la comunicazione per 6G e oltre. Il dispositivo raddoppia effettivamente la capacità dei dati mantenendo un basso tasso di perdita di dati, aprendo la strada a reti wireless ad alta velocità efficienti e affidabili.
Il team dietro questo traguardo comprende il professor Withawat Withayachumnankul della Scuola 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 di trasmettere simultaneamente più flussi di dati all'interno della stessa banda di frequenza, raddoppiando di fatto la capacità dei dati". La larghezza di banda relativa raggiunta dal dispositivo non ha precedenti su qualsiasi gamma di frequenza, rappresentando un salto significativo per i multiplexer integrati.
I multiplexer di polarizzazione sono essenziali nella comunicazione moderna 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 medio efficace anisotropico. Questi componenti migliorano la birifrangenza della polarizzazione, determinando un elevato rapporto di estinzione della polarizzazione (PER) e un'ampia larghezza di banda, caratteristiche chiave dei sistemi di comunicazione efficienti terahertz.
A differenza dei progetti tradizionali che si basano su guide d'onda asimmetriche complesse e dipendenti dalla frequenza, il nuovo multiplexer utilizza un rivestimento anisotropico con solo una leggera dipendenza dalla frequenza. Questo approccio sfrutta appieno l'ampia larghezza di banda fornita dagli accoppiatori conici.
Il risultato è una larghezza di banda frazionaria vicina 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 soffrono di larghezza di banda ridotta e perdite elevate.
Il lavoro del gruppo di ricerca non solo migliora l'efficienza dei sistemi terahertz, ma getta anche le basi per una nuova era nella comunicazione wireless. Il dottor Gao ha osservato: "Questa innovazione è un fattore chiave per sbloccare il potenziale della comunicazione terahertz". Le applicazioni includono streaming video ad alta definizione, realtà aumentata e reti mobili di prossima generazione come 6G.
Le tradizionali soluzioni di gestione della polarizzazione terahertz, come i trasduttori in modalità ortogonale (OMT) basati su guide d'onda metalliche rettangolari, devono affrontare limitazioni significative. Le guide d'onda metalliche subiscono maggiori perdite ohmiche a frequenze più elevate e i loro processi di produzione sono complessi a causa dei rigorosi requisiti geometrici.
I multiplexer di polarizzazione ottica, compresi quelli che utilizzano interferometri Mach-Zehnder o cristalli fotonici, offrono una migliore integrabilità e perdite inferiori, 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 PER elevati. Tuttavia, sono limitati dalla larghezza di banda ristretta e dalla sensibilità alle tolleranze di produzione.
Il nuovo multiplexer combina i vantaggi degli accoppiatori direzionali conici e dell'efficace rivestimento del mezzo, superando queste limitazioni. Il rivestimento anisotropico presenta una birifrangenza significativa, garantendo un PER elevato su un'ampia larghezza di banda. Questo principio di progettazione segna un allontanamento dai metodi tradizionali, fornendo una soluzione scalabile e pratica per l'integrazione dei terahertz.
La validazione sperimentale del multiplexer ha confermato le sue eccezionali prestazioni. Il dispositivo funziona in modo efficiente nella gamma 225-330 GHz, raggiungendo una larghezza di banda frazionaria del 37,8% pur mantenendo un PER superiore a 20 dB. Le sue dimensioni compatte e la compatibilità con i processi produttivi standard lo rendono adatto alla produzione di massa.
Il Dr. Gao ha sottolineato: "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 si estendono oltre i sistemi di comunicazione. Migliorando l’utilizzo dello spettro, il multiplexer può favorire progressi in campi quali il radar, l’imaging e l’Internet delle cose. "Entro un decennio, prevediamo che queste tecnologie terahertz saranno ampiamente adottate e integrate in vari settori", ha affermato il professor Withayachumnankul.
Il multiplexer può anche essere perfettamente integrato con i precedenti dispositivi di beamforming 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 terahertz fotonica. Il professor Fujita ha osservato: "Superando le barriere tecniche critiche, questa innovazione dovrebbe stimolare l'interesse e l'attività di ricerca nel campo".
I ricercatori prevedono che il loro lavoro ispirerà nuove applicazioni e ulteriori miglioramenti tecnologici nei prossimi anni, portando infine a prototipi e prodotti commerciali.
Questo multiplexer rappresenta un significativo passo avanti nello sviluppo del potenziale della comunicazione terahertz. Stabilisce un nuovo standard per i dispositivi terahertz integrati con i suoi parametri di prestazione senza precedenti.
Poiché la domanda di reti di comunicazione ad alta velocità e ad alta capacità continua a crescere, tali innovazioni svolgeranno un ruolo cruciale nel plasmare il futuro della tecnologia wireless.
Orario di pubblicazione: 16 dicembre 2024