Um novo tipo de multiplexador de terahertz dobrou a capacidade de dados e melhorou significativamente a comunicação 6G com largura de banda sem precedentes e baixa perda de dados.
Pesquisadores introduziram um multiplexador de terahertz de banda superlarga que dobra a capacidade de dados e traz avanços revolucionários para 6G e além. (Fonte da imagem: Getty Images)
A comunicação sem fio de última geração, representada pela tecnologia terahertz, promete revolucionar a transmissão de dados.
Esses sistemas operam em frequências de terahertz, oferecendo largura de banda incomparável para transmissão e comunicação de dados ultrarrápidas. No entanto, para concretizar plenamente esse potencial, desafios técnicos significativos devem ser superados, principalmente na gestão e utilização eficaz do espectro disponível.
Um avanço inovador abordou esse desafio: o primeiro (des)multiplexador de polarização terahertz integrada de banda ultralarga realizado em uma plataforma de silício sem substrato.
Este design inovador tem como alvo a banda J subterahertz (220-330 GHz) e visa transformar a comunicação para 6G e além. O dispositivo efetivamente dobra a capacidade de dados, mantendo uma baixa taxa de perda de dados, abrindo caminho para redes sem fio de alta velocidade eficientes e confiáveis.
A equipe por trás desse marco inclui o professor Withawat Withayachumnankul da Escola de Engenharia Elétrica e Mecânica da Universidade de Adelaide, o Dr. Weijie Gao, agora pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Osaka, e o professor Masayuki Fujita.
O professor Withayachumnankul declarou: "O multiplexador de polarização proposto permite que múltiplos fluxos de dados sejam transmitidos simultaneamente dentro da mesma banda de frequência, dobrando efetivamente a capacidade de dados." A largura de banda relativa alcançada pelo dispositivo é sem precedentes em qualquer faixa de frequência, representando um salto significativo para multiplexadores integrados.
Os multiplexadores de polarização são essenciais na comunicação moderna, pois permitem que vários sinais compartilhem a mesma banda de frequência, melhorando significativamente a capacidade do canal.
O novo dispositivo consegue isso utilizando acopladores direcionais cônicos e revestimento de meio efetivo anisotrópico. Esses componentes aprimoram a birrefringência de polarização, resultando em uma alta razão de extinção de polarização (PER) e ampla largura de banda — características essenciais de sistemas de comunicação terahertz eficientes.
Ao contrário dos projetos tradicionais, que dependem de guias de onda assimétricos complexos e dependentes da frequência, o novo multiplexador utiliza revestimento anisotrópico com apenas uma ligeira dependência da frequência. Essa abordagem aproveita ao máximo a ampla largura de banda fornecida pelos acopladores cônicos.
O resultado é uma largura de banda fracionada próxima a 40%, um PER médio superior a 20 dB e uma perda de inserção mínima de aproximadamente 1 dB. Essas métricas de desempenho superam em muito as dos projetos ópticos e de micro-ondas existentes, que frequentemente sofrem com largura de banda estreita e altas perdas.
O trabalho da equipe de pesquisa não apenas aumenta a eficiência dos sistemas terahertz, como também estabelece as bases para uma nova era na comunicação sem fio. O Dr. Gao observou: "Esta inovação é um fator-chave para desbloquear o potencial da comunicação terahertz". As aplicações incluem streaming de vídeo em alta definição, realidade aumentada e redes móveis de última geração, como o 6G.
Soluções tradicionais de gerenciamento de polarização em terahertz, como transdutores de modo ortogonal (OMTs) baseados em guias de onda metálicos retangulares, enfrentam limitações significativas. Guias de onda metálicos apresentam perdas ôhmicas maiores em frequências mais altas e seus processos de fabricação são complexos devido a requisitos geométricos rigorosos.
Multiplexadores de polarização óptica, incluindo aqueles que usam interferômetros Mach-Zehnder ou cristais fotônicos, oferecem melhor integrabilidade e menores perdas, mas geralmente exigem compensações entre largura de banda, compactação e complexidade de fabricação.
Acopladores direcionais são amplamente utilizados em sistemas ópticos e requerem forte birrefringência de polarização para atingir tamanho compacto e alto PER. No entanto, são limitados pela estreita largura de banda e pela sensibilidade às tolerâncias de fabricação.
O novo multiplexador combina as vantagens dos acopladores direcionais cônicos e do revestimento eficaz do meio, superando essas limitações. O revestimento anisotrópico apresenta birrefringência significativa, garantindo alto PER em uma ampla largura de banda. Este princípio de projeto marca um distanciamento dos métodos tradicionais, fornecendo uma solução escalável e prática para integração em terahertz.
A validação experimental do multiplexador confirmou seu desempenho excepcional. O dispositivo opera com eficiência na faixa de 225-330 GHz, alcançando uma largura de banda fracionada de 37,8%, mantendo um PER acima de 20 dB. Seu tamanho compacto e compatibilidade com processos de fabricação padrão o tornam adequado para produção em massa.
O Dr. Gao comentou: "Essa inovação não apenas aumenta a eficiência dos sistemas de comunicação de terahertz, mas também abre caminho para redes sem fio de alta velocidade mais potentes e confiáveis."
As potenciais aplicações dessa tecnologia vão além dos sistemas de comunicação. Ao aprimorar a utilização do espectro, o multiplexador pode impulsionar avanços em áreas como radar, geração de imagens e Internet das Coisas. "Em uma década, esperamos que essas tecnologias de terahertz sejam amplamente adotadas e integradas em diversos setores", afirmou o professor Withayachumnankul.
O multiplexador também pode ser perfeitamente integrado a dispositivos de formação de feixes anteriores desenvolvidos pela equipe, permitindo funcionalidades avançadas de comunicação em uma plataforma unificada. Essa compatibilidade destaca a versatilidade e a escalabilidade da plataforma de guia de ondas dielétrico de revestimento médio eficaz.
Os resultados da pesquisa da equipe foram publicados na revista Laser & Photonic Reviews, enfatizando sua importância para o avanço da tecnologia fotônica de terahertz. O professor Fujita comentou: "Ao superar barreiras técnicas críticas, espera-se que esta inovação estimule o interesse e a atividade de pesquisa na área."
Os pesquisadores preveem que seu trabalho inspirará novas aplicações e mais melhorias tecnológicas nos próximos anos, levando, por fim, a protótipos e produtos comerciais.
Este multiplexador representa um avanço significativo na exploração do potencial da comunicação terahertz. Ele estabelece um novo padrão para dispositivos terahertz integrados com suas métricas de desempenho sem precedentes.
À medida que a demanda por redes de comunicação de alta velocidade e alta capacidade continua a crescer, essas inovações desempenharão um papel crucial na formação do futuro da tecnologia sem fio.
Horário da publicação: 16 de dezembro de 2024