新しいタイプのテラヘルツマルチプレクサは、データ容量を 2 倍にし、前例のない帯域幅と低いデータ損失で 6G 通信を大幅に強化しました。
研究者らは、データ容量を 2 倍にし、6G 以降に革命的な進歩をもたらす超広帯域テラヘルツ マルチプレクサを導入しました。 （画像出典：Getty Images）
テラヘルツ技術に代表される次世代無線通信は、データ伝送に革命をもたらすと期待されています。
これらのシステムはテラヘルツ周波数で動作し、超高速データ送信と通信に比類のない帯域幅を提供します。ただし、この可能性を十分に実現するには、特に利用可能なスペクトルの管理と効果的な利用において、重大な技術的課題を克服する必要があります。
画期的な進歩により、この課題に対処しました。それは、基板を使用しないシリコン プラットフォーム上で実現された初の超広帯域統合テラヘルツ偏波 (デ)マルチプレクサです。
この革新的な設計は、サブテラヘルツ J バンド (220 ～ 330 GHz) をターゲットにしており、6G 以降の通信を変革することを目指しています。このデバイスは、低いデータ損失率を維持しながらデータ容量を効果的に 2 倍にし、効率的で信頼性の高い高速ワイヤレス ネットワークへの道を開きます。
このマイルストーンを支えたチームには、アデレード大学電気機械工学部のウィサワット・ウィサヤチュムナンクル教授、現在大阪大学の博士研究員であるウェイジエ・ガオ博士、藤田正之教授が含まれています。
Withayachumnankul 教授は、「提案された偏波マルチプレクサにより、同じ周波数帯域内で複数のデータ ストリームを同時に送信できるようになり、データ容量が効果的に 2 倍になります。」と述べました。このデバイスによって達成される相対帯域幅は、どの周波数範囲においても前例のないものであり、統合マルチプレクサにとっては大きな飛躍を表しています。
偏波マルチプレクサは、複数の信号が同じ周波数帯域を共有できるようにし、チャネル容量を大幅に向上させるため、現代の通信には不可欠です。
新しいデバイスは、円錐方向性結合器と異方性有効媒体クラッドを利用することでこれを実現します。これらのコンポーネントは偏光複屈折を強化し、その結果、効率的なテラヘルツ通信システムの重要な特性である高い偏光消光比 (PER) と広い帯域幅が実現します。
複雑で周波数に依存する非対称導波路に依存する従来の設計とは異なり、新しいマルチプレクサは周波数依存性がわずかな異方性クラッドを採用しています。このアプローチは、円錐形カプラーによって提供される十分な帯域幅を最大限に活用します。
その結果、40% に近い部分帯域幅、20 dB を超える平均 PER、および約 1 dB の最小挿入損失が得られます。これらの性能指標は、狭帯域幅と高損失に悩まされることが多い既存の光学設計およびマイクロ波設計の性能指標をはるかに上回っています。
研究チームの研究は、テラヘルツシステムの効率を高めるだけでなく、無線通信の新時代の基礎も築くものです。 Gao博士は、「このイノベーションは、テラヘルツ通信の可能性を解き放つ重要な推進力である」と述べた。アプリケーションには、高解像度ビデオ ストリーミング、拡張現実、6G などの次世代モバイル ネットワークが含まれます。
長方形の金属導波路に基づく直交モードトランスデューサ (OMT) などの従来のテラヘルツ偏波管理ソリューションは、重大な制限に直面しています。金属導波路は、高周波では抵抗損失が増加し、厳しい幾何学的要件により製造プロセスが複雑になります。
マッハツェンダー干渉計やフォトニック結晶を使用するものを含む光偏光マルチプレクサは、より優れた統合性とより低い損失を提供しますが、多くの場合、帯域幅、コンパクトさ、製造の複雑さの間でトレードオフを必要とします。
方向性結合器は光学システムで広く使用されており、コンパクトなサイズと高い PER を達成するには強い偏光複屈折が必要です。ただし、帯域幅が狭いことと製造公差の影響を受けやすいことによって制限されます。
新しいマルチプレクサは、円錐方向性結合器と効果的な媒体クラッドの利点を組み合わせて、これらの制限を克服します。異方性クラッドは大きな複屈折を示し、広い帯域幅にわたって高い PER を保証します。この設計原則は従来の方法からの脱却を示し、テラヘルツ統合のためのスケーラブルで実用的なソリューションを提供します。
マルチプレクサの実験検証により、その卓越したパフォーマンスが確認されました。このデバイスは 225 ～ 330 GHz の範囲で効率的に動作し、20 dB を超える PER を維持しながら 37.8% の部分帯域幅を達成します。コンパクトなサイズと標準的な製造プロセスとの互換性により、大量生産に適しています。
Gao博士は、「この技術革新は、テラヘルツ通信システムの効率を高めるだけでなく、より強力で信頼性の高い高速無線ネットワークへの道を切り開くものだ」と述べた。
このテクノロジーの潜在的な用途は、通信システムを超えて広がります。マルチプレクサはスペクトル利用率を向上させることで、レーダー、イメージング、モノのインターネットなどの分野の進歩を推進できます。 「10年以内に、これらのテラヘルツ技術がさまざまな業界で広く採用され、統合されると予想されます」とウィタヤチュムナンクル教授は述べた。
このマルチプレクサは、チームが開発した以前のビームフォーミング デバイスとシームレスに統合することもでき、統合プラットフォーム上で高度な通信機能を実現できます。この互換性により、効果的な媒体クラッド誘電体導波路プラットフォームの多用途性と拡張性が強調されます。
同チームの研究成果は雑誌「Laser & Photonic Reviews」に掲載され、フォトニックテラヘルツ技術の進歩におけるその重要性が強調されている。藤田教授は、「重大な技術的障壁を克服することにより、このイノベーションはこの分野での関心と研究活動を刺激することが期待される」と述べた。
研究者らは、彼らの研究が今後数年間で新たな応用やさらなる技術改良を促し、最終的には商用プロトタイプや製品につながることを期待している。
このマルチプレクサは、テラヘルツ通信の可能性を解き放つ上での重要な前進を表しています。これは、前例のないパフォーマンス指標により、統合型テラヘルツデバイスの新しい標準を確立します。
高速、大容量の通信ネットワークに対する需要が高まるにつれ、このようなイノベーションはワイヤレス技術の将来を形作る上で重要な役割を果たすことになります。
投稿日時: 2024 年 12 月 16 日