Un nuovo tipo di multiplexer a terahertz ha raddoppiato la capacità di trasmissione dati e migliorato significativamente le comunicazioni 6G con una larghezza di banda senza precedenti e una bassa perdita di dati.
I ricercatori hanno presentato un multiplexer a banda ultralarga nella banda dei terahertz che raddoppia la capacità di trasmissione dati e apporta progressi rivoluzionari al 6G e alle generazioni future. (Fonte immagine: Getty Images)
Le comunicazioni wireless di nuova generazione, rappresentate dalla tecnologia a terahertz, promettono di rivoluzionare la trasmissione dei dati.
Questi sistemi operano a frequenze terahertz, offrendo una larghezza di banda senza precedenti per la trasmissione e la comunicazione di dati ultraveloci. Tuttavia, per sfruttare appieno questo potenziale, è necessario superare importanti sfide tecniche, in particolare nella gestione e nell'utilizzo efficace dello spettro disponibile.
Un progresso rivoluzionario ha affrontato questa sfida: il primo (de)multiplexer di polarizzazione a banda ultralarga integrato nella banda dei terahertz realizzato su una piattaforma di silicio senza substrato.
Questo design innovativo si rivolge alla banda J sub-terahertz (220-330 GHz) e mira a trasformare le comunicazioni per il 6G e le generazioni successive. Il dispositivo raddoppia efficacemente la capacità di trasmissione dati mantenendo un basso tasso di perdita di dati, aprendo la strada a reti wireless ad alta velocità efficienti e affidabili.
Il team che ha raggiunto questo traguardo comprende il professor Withawat Withayachumnankul della Facoltà di Ingegneria Elettrica e Meccanica dell'Università di Adelaide, il dottor Weijie Gao, attualmente ricercatore post-dottorato presso l'Università di Osaka, e il professor Masayuki Fujita.
Il professor Withayachumnankul ha affermato: "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 dati". La larghezza di banda relativa raggiunta dal dispositivo non ha precedenti in nessuna gamma di frequenze e rappresenta un significativo passo avanti per i multiplexer integrati.
I multiplexer di polarizzazione sono essenziali nelle moderne comunicazioni in quanto 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 anisotropo a mezzo efficace. Questi componenti migliorano la birifrangenza di polarizzazione, con conseguente elevato rapporto di estinzione di polarizzazione (PER) e ampia larghezza di banda, caratteristiche fondamentali per sistemi di comunicazione a terahertz efficienti.
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 una dipendenza dalla frequenza minima. Questo approccio sfrutta appieno l'ampia larghezza di banda fornita 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. Queste prestazioni superano di gran lunga quelle dei progetti ottici e a microonde esistenti, che spesso soffrono di larghezza di banda ridotta e perdite elevate.
Il lavoro del team di ricerca non solo migliora l'efficienza dei sistemi a 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 a 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 nelle frequenze 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 alte frequenze e i loro processi di fabbricazione sono complessi a causa dei rigorosi requisiti geometrici.
I multiplexer di 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 elevato PER (Persistent Efficiency Ratio). Tuttavia, sono limitati da una larghezza di banda ristretta e dalla sensibilità alle tolleranze di fabbricazione.
Il nuovo multiplexer combina i vantaggi degli accoppiatori direzionali conici e del rivestimento a mezzo efficace, superando tali limitazioni. Il rivestimento anisotropico presenta una significativa birifrangenza, garantendo un elevato PER su un'ampia banda passante. Questo principio di progettazione segna una svolta rispetto ai metodi tradizionali, fornendo una soluzione scalabile e pratica per l'integrazione nella banda dei terahertz.
La validazione sperimentale del multiplexer ha confermato le sue eccezionali prestazioni. 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 produttivi standard lo rendono adatto alla produzione di massa.
Il dottor Gao ha commentato: "Questa innovazione non solo migliora l'efficienza dei sistemi di comunicazione a 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 settori come il radar, l'imaging e l'Internet delle cose. "Entro un decennio, prevediamo che queste tecnologie a terahertz saranno ampiamente adottate e integrate in diversi settori", ha affermato il professor Withayachumnankul.
Il multiplexer può inoltre essere integrato senza problemi con i dispositivi di beamforming sviluppati in precedenza dal team, consentendo funzionalità di comunicazione avanzate su una piattaforma unificata. Questa compatibilità evidenzia la versatilità e la scalabilità della piattaforma di guida d'onda dielettrica con rivestimento a mezzo efficace.
I risultati della ricerca del team sono stati pubblicati sulla rivista Laser & Photonic Reviews, sottolineandone l'importanza per il progresso della tecnologia fotonica a terahertz. Il professor Fujita ha commentato: "Superando importanti ostacoli tecnici, ci si aspetta che questa innovazione stimoli 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 realizzazione di prototipi e prodotti commerciali.
Questo multiplexer rappresenta un significativo passo avanti nello sfruttamento del potenziale delle comunicazioni a terahertz. Stabilisce un nuovo standard per i dispositivi terahertz integrati grazie alle sue prestazioni 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.
Data di pubblicazione: 16 dicembre 2024