새로운 유형의 테라헤르츠 멀티플렉서는 데이터 용량을 두 배로 늘리고 전례 없는 대역폭과 낮은 데이터 손실로 6G 통신을 크게 향상시켰습니다.
연구진은 데이터 용량을 두 배로 늘리고 6G 이상에 혁신적인 발전을 가져오는 초광대역 테라헤르츠 멀티플렉서를 선보였습니다. (이미지 출처: 게티 이미지)
테라헤르츠 기술로 대표되는 차세대 무선 통신은 데이터 전송에 혁명을 일으킬 것으로 기대됩니다.
이러한 시스템은 테라헤르츠 주파수에서 작동하여 초고속 데이터 전송 및 통신을 위한 탁월한 대역폭을 제공합니다. 그러나 이러한 잠재력을 최대한 실현하려면 상당한 기술적 과제를 극복해야 하며, 특히 가용 주파수의 관리 및 효과적인 활용 측면에서 어려움을 겪습니다.
획기적인 발전으로 이러한 과제를 해결할 수 있었습니다. 기판이 없는 실리콘 플랫폼에서 구현된 최초의 초광대역 통합 테라헤르츠 편파 (역)다중화기입니다.
이 혁신적인 디자인은 테라헤르츠 이하 J 대역(220~330GHz)을 대상으로 하며, 6G 이상의 통신 혁신을 목표로 합니다. 이 장치는 낮은 데이터 손실률을 유지하면서 데이터 용량을 효과적으로 두 배로 늘려 효율적이고 안정적인 고속 무선 네트워크 구축의 토대를 마련합니다.
이러한 획기적인 발견을 이끈 팀에는 애들레이드 대학교 전기 및 기계 공학부의 위타와트 위타야춤난쿨 교수, 현재 오사카 대학교의 박사후 연구원인 웨이지에 가오 박사, 그리고 마사유키 후지타 교수가 포함됩니다.
위타야쿰난쿨 교수는 "제안된 편파 멀티플렉서는 동일 주파수 대역 내에서 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있게 하여 데이터 용량을 사실상 두 배로 늘릴 수 있습니다."라고 말했습니다. 이 장치가 달성한 상대 대역폭은 모든 주파수 범위에서 전례 없는 수준으로, 통합 멀티플렉서 분야에서 획기적인 도약을 의미합니다.
편파 다중화기는 여러 신호가 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있도록 하여 채널 용량을 크게 향상시키므로 현대 통신에 필수적입니다.
새로운 장치는 원뿔형 방향성 결합기와 이방성 유효 매질 클래딩을 활용하여 이를 달성합니다. 이러한 구성 요소는 편광 복굴절을 향상시켜 높은 편광 소광비(PER)와 넓은 대역폭을 제공하며, 이는 효율적인 테라헤르츠 통신 시스템의 핵심 특성입니다.
복잡하고 주파수 의존적인 비대칭 도파관에 의존하는 기존 설계와 달리, 새로운 멀티플렉서는 주파수 의존성이 거의 없는 이방성 클래딩을 사용합니다. 이러한 접근 방식은 원뿔형 커플러가 제공하는 풍부한 대역폭을 최대한 활용합니다.
그 결과, 40%에 가까운 분수 대역폭, 20dB를 넘는 평균 PER, 그리고 약 1dB의 최소 삽입 손실이 달성되었습니다. 이러한 성능 지표는 좁은 대역폭과 높은 손실로 어려움을 겪는 기존 광 및 마이크로파 설계의 성능을 훨씬 능가합니다.
연구진의 연구는 테라헤르츠 시스템의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 무선 통신의 새로운 시대를 여는 토대를 마련합니다. 가오 박사는 "이 혁신은 테라헤르츠 통신의 잠재력을 여는 핵심 동력입니다."라고 말했습니다. 응용 분야로는 고화질 비디오 스트리밍, 증강 현실, 그리고 6G와 같은 차세대 모바일 네트워크 등이 있습니다.
직사각형 금속 도파관 기반 직교 모드 변환기(OMT)와 같은 기존의 테라헤르츠 편광 관리 솔루션은 상당한 한계에 직면해 있습니다. 금속 도파관은 고주파수에서 저항 손실이 증가하고, 엄격한 기하학적 요건으로 인해 제조 공정이 복잡합니다.
마하젠더 간섭계나 광자 결정을 사용하는 것을 포함한 광 편광 멀티플렉서는 더 나은 통합성과 더 낮은 손실을 제공하지만 대역폭, 소형화, 제조 복잡성 간의 균형이 필요한 경우가 많습니다.
방향성 결합기는 광학 시스템에 널리 사용되며, 소형화와 높은 PER을 달성하기 위해 강한 편광 복굴절이 요구됩니다. 그러나 좁은 대역폭과 제조 공차에 대한 민감성으로 인해 제약을 받습니다.
새로운 멀티플렉서는 원뿔형 방향성 결합기와 효과적인 매질 클래딩의 장점을 결합하여 이러한 한계를 극복합니다. 이방성 클래딩은 상당한 복굴절률을 나타내어 넓은 대역폭에 걸쳐 높은 PER을 보장합니다. 이러한 설계 원리는 기존 방식과 차별화되어 테라헤르츠 통합을 위한 확장 가능하고 실용적인 솔루션을 제공합니다.
멀티플렉서의 실험적 검증을 통해 탁월한 성능이 확인되었습니다. 이 장치는 225~330GHz 범위에서 효율적으로 작동하여 37.8%의 분율 대역폭을 달성하는 동시에 20dB 이상의 PER을 유지합니다. 컴팩트한 크기와 표준 제조 공정과의 호환성 덕분에 대량 생산에 적합합니다.
가오 박사는 "이 혁신은 테라헤르츠 통신 시스템의 효율성을 높일 뿐만 아니라, 더욱 강력하고 안정적인 고속 무선 네트워크로의 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.
이 기술의 잠재적 응용 분야는 통신 시스템 너머로 확장됩니다. 스펙트럼 활용도를 향상시킴으로써 이 멀티플렉서는 레이더, 이미징, 사물 인터넷과 같은 분야의 발전을 촉진할 수 있습니다. 위타야쿰난쿨 교수는 "10년 안에 이러한 테라헤르츠 기술이 다양한 산업 분야에 널리 채택되고 통합될 것으로 예상합니다."라고 말했습니다.
이 멀티플렉서는 팀에서 개발한 기존 빔포밍 장치와도 완벽하게 통합되어 통합 플랫폼에서 고급 통신 기능을 구현할 수 있습니다. 이러한 호환성은 효과적인 중피복 유전체 도파관 플랫폼의 다재다능함과 확장성을 강조합니다.
이 팀의 연구 결과는 레이저 & 포토닉 리뷰(Laser & Photonic Reviews) 저널에 게재되었으며, 광자 테라헤르츠 기술 발전에 있어 그 중요성을 강조했습니다. 후지타 교수는 "이러한 혁신은 중요한 기술적 장벽을 극복함으로써 해당 분야의 관심과 연구 활동을 촉진할 것으로 기대됩니다."라고 말했습니다.
연구진은 그들의 연구가 향후 몇 년 안에 새로운 응용 분야와 추가적인 기술 개선에 영감을 주어 궁극적으로 상업적인 프로토타입과 제품으로 이어질 것으로 기대하고 있습니다.
이 멀티플렉서는 테라헤르츠 통신의 잠재력을 여는 데 있어 중요한 진전을 보여줍니다. 전례 없는 성능 지표를 통해 통합 테라헤르츠 장치의 새로운 기준을 제시합니다.
고속, 대용량 통신 네트워크에 대한 수요가 계속해서 증가함에 따라, 이러한 혁신은 무선 기술의 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
게시 시간: 2024년 12월 16일