새로운 유형의 테라헤르츠 멀티플렉서는 데이터 용량을 두 배로 늘리고 전례 없는 대역폭과 낮은 데이터 손실로 6G 통신을 크게 향상시켰습니다.
연구원들은 데이터 용량을 두 배로 늘리고 6G 이상으로 혁신적인 발전을 가져오는 초광대역 테라헤르츠 멀티플렉서를 출시했습니다. (이미지 출처: Getty Images)
테라헤르츠 기술로 대표되는 차세대 무선통신은 데이터 전송의 혁명을 약속합니다.
이 시스템은 테라헤르츠 주파수에서 작동하여 초고속 데이터 전송 및 통신을 위한 비교할 수 없는 대역폭을 제공합니다. 그러나 이러한 잠재력을 완전히 실현하려면 특히 사용 가능한 스펙트럼을 관리하고 효과적으로 활용하는 데 있어서 중요한 기술적 과제를 극복해야 합니다.
획기적인 발전으로 이 과제가 해결되었습니다. 기판이 없는 실리콘 플랫폼에서 실현된 최초의 초광대역 통합 테라헤르츠 편광 (역)멀티플렉서입니다.
이 혁신적인 설계는 테라헤르츠 미만의 J 대역(220~330GHz)을 대상으로 하며 6G 이상의 통신을 변화시키는 것을 목표로 합니다. 이 장치는 낮은 데이터 손실률을 유지하면서 데이터 용량을 효과적으로 두 배로 늘려 효율적이고 안정적인 고속 무선 네트워크를 위한 기반을 마련합니다.
이 이정표를 뒷받침하는 팀에는 애들레이드 대학 전기 및 기계 공학부의 Withawat Withayachumnankul 교수, 현재 오사카 대학의 박사후 연구원인 Weijie Gao 박사, Fujita Masayuki 교수가 포함되어 있습니다.
Withayachumnankul 교수는 "제안된 편파 다중화 장치는 동일한 주파수 대역 내에서 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있어 데이터 용량을 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있습니다."라고 말했습니다. 장치가 달성한 상대 대역폭은 모든 주파수 범위에서 전례가 없으며 통합 멀티플렉서의 상당한 도약을 나타냅니다.
편광 멀티플렉서는 여러 신호가 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있게 하여 채널 용량을 크게 향상시키므로 현대 통신에 필수적입니다.
새로운 장치는 원뿔형 방향성 커플러와 이방성 유효 매체 클래딩을 활용하여 이를 달성합니다. 이러한 구성 요소는 편광 복굴절을 향상시켜 효율적인 테라헤르츠 통신 시스템의 주요 특성인 높은 PER(편파 소멸비)와 넓은 대역폭을 제공합니다.
복잡하고 주파수 의존적인 비대칭 도파관에 의존하는 기존 설계와 달리 새로운 멀티플렉서는 주파수 의존성이 약간 있는 이방성 클래딩을 사용합니다. 이 접근 방식은 원추형 커플러가 제공하는 충분한 대역폭을 최대한 활용합니다.
그 결과 40%에 가까운 부분 대역폭, 20dB를 초과하는 평균 PER, 약 1dB의 최소 삽입 손실이 발생합니다. 이러한 성능 지표는 좁은 대역폭과 높은 손실로 인해 어려움을 겪는 기존 광학 및 마이크로웨이브 설계의 성능 지표를 훨씬 능가합니다.
연구팀의 연구는 테라헤르츠 시스템의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 무선 통신의 새로운 시대를 위한 토대를 마련합니다. Gao 박사는 "이러한 혁신은 테라헤르츠 통신의 잠재력을 실현하는 핵심 동인입니다."라고 말했습니다. 애플리케이션에는 고화질 비디오 스트리밍, 증강 현실 및 6G와 같은 차세대 모바일 네트워크가 포함됩니다.
직사각형 금속 도파관을 기반으로 하는 직교 모드 변환기(OMT)와 같은 기존의 테라헤르츠 편파 관리 솔루션은 상당한 한계에 직면해 있습니다. 금속 도파관은 더 높은 주파수에서 저항 손실이 증가하며 엄격한 기하학적 요구 사항으로 인해 제조 공정이 복잡합니다.
Mach-Zehnder 간섭계 또는 광결정을 사용하는 광학 편광 멀티플렉서는 더 나은 통합성과 더 낮은 손실을 제공하지만 대역폭, 소형화 및 제조 복잡성 간의 절충이 필요한 경우가 많습니다.
방향성 커플러는 광학 시스템에 널리 사용되며 컴팩트한 크기와 높은 PER을 달성하기 위해 강한 편광 복굴절이 필요합니다. 그러나 이는 좁은 대역폭과 제조 공차에 대한 민감도로 인해 제한됩니다.
새로운 멀티플렉서는 원추형 방향성 커플러와 효과적인 중간 클래딩의 장점을 결합하여 이러한 한계를 극복합니다. 이방성 클래딩은 상당한 복굴절을 나타내어 넓은 대역폭에 걸쳐 높은 PER을 보장합니다. 이 설계 원칙은 전통적인 방법에서 벗어나 테라헤르츠 통합을 위한 확장 가능하고 실용적인 솔루션을 제공합니다.
멀티플렉서의 실험적 검증을 통해 탁월한 성능이 확인되었습니다. 이 장치는 225~330GHz 범위에서 효율적으로 작동하여 PER을 20dB 이상 유지하면서 37.8%의 부분 대역폭을 달성합니다. 컴팩트한 크기와 표준 제조 공정과의 호환성으로 대량 생산에 적합합니다.
Gao 박사는 "이 혁신은 테라헤르츠 통신 시스템의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 더욱 강력하고 안정적인 고속 무선 네트워크를 위한 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.
이 기술의 잠재적인 응용은 통신 시스템을 넘어 확장됩니다. 스펙트럼 활용도를 향상함으로써 멀티플렉서는 레이더, 이미징, 사물 인터넷과 같은 분야의 발전을 촉진할 수 있습니다. Withayachumnankul 교수는 "10년 이내에 이러한 테라헤르츠 기술이 다양한 산업 전반에 걸쳐 널리 채택되고 통합될 것으로 기대합니다."라고 말했습니다.
또한 멀티플렉서는 팀에서 개발한 이전 빔포밍 장치와 원활하게 통합되어 통합 플랫폼에서 고급 통신 기능을 활성화할 수 있습니다. 이러한 호환성은 효과적인 미디엄 클래드 유전체 도파관 플랫폼의 다양성과 확장성을 강조합니다.
이 팀의 연구 결과는 Laser & Photonic Reviews 저널에 게재되어 광자 테라헤르츠 기술 발전에 대한 중요성을 강조했습니다. Fujita 교수는 "이러한 혁신은 중대한 기술적 장벽을 극복함으로써 해당 분야의 관심과 연구 활동을 자극할 것으로 기대됩니다"라고 말했습니다.
연구원들은 그들의 연구가 향후 몇 년 동안 새로운 응용과 추가적인 기술 개선에 영감을 주어 궁극적으로 상업용 프로토타입과 제품으로 이어질 것으로 기대합니다.
이 멀티플렉서는 테라헤르츠 통신의 잠재력을 실현하는 데 있어서 중요한 진전을 나타냅니다. 전례 없는 성능 지표로 통합 테라헤르츠 장치의 새로운 표준을 설정합니다.
고속, 대용량 통신 네트워크에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 이러한 혁신은 무선 기술의 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
게시 시간: 2024년 12월 16일