Un nouveau type de multiplexeur térahertz a doublé la capacité de données et considérablement amélioré la communication 6G avec une bande passante sans précédent et une faible perte de données.
Des chercheurs ont présenté un multiplexeur térahertz à bande ultra-large qui double la capacité de données et apporte des avancées révolutionnaires à la 6G et au-delà. (Source de l'image : Getty Images)
La communication sans fil de nouvelle génération, représentée par la technologie térahertz, promet de révolutionner la transmission de données.
Ces systèmes fonctionnent à des fréquences térahertz, offrant une bande passante inégalée pour une transmission de données et des communications ultra-rapides. Cependant, pour exploiter pleinement ce potentiel, des défis techniques majeurs doivent être relevés, notamment en matière de gestion et d'utilisation efficace du spectre disponible.
Une avancée révolutionnaire a permis de relever ce défi : le premier (dé)multiplexeur de polarisation térahertz intégré à bande ultra-large réalisé sur une plate-forme en silicium sans substrat.
Cette conception innovante cible la bande J subtérahertz (220-330 GHz) et vise à transformer les communications pour la 6G et au-delà. Ce dispositif double efficacement la capacité de données tout en maintenant un faible taux de perte de données, ouvrant la voie à des réseaux sans fil haut débit efficaces et fiables.
L'équipe à l'origine de cette étape importante comprend le professeur Withawat Withayachumnankul de l'École de génie électrique et mécanique de l'Université d'Adélaïde, le Dr Weijie Gao, désormais chercheur postdoctoral à l'Université d'Osaka, et le professeur Masayuki Fujita.
Le professeur Withayachumnankul a déclaré : « Le multiplexeur de polarisation proposé permet de transmettre simultanément plusieurs flux de données dans la même bande de fréquences, doublant ainsi la capacité de données. » La bande passante relative obtenue par le dispositif est sans précédent, quelle que soit la gamme de fréquences, ce qui représente une avancée significative pour les multiplexeurs intégrés.
Les multiplexeurs de polarisation sont essentiels dans les communications modernes car ils permettent à plusieurs signaux de partager la même bande de fréquence, améliorant ainsi considérablement la capacité du canal.
Ce nouveau dispositif y parvient grâce à l'utilisation de coupleurs directionnels coniques et d'une gaine anisotrope à milieu efficace. Ces composants améliorent la biréfringence de polarisation, ce qui se traduit par un taux d'extinction de polarisation (PER) élevé et une large bande passante, caractéristiques clés des systèmes de communication térahertz performants.
Contrairement aux conceptions traditionnelles qui reposent sur des guides d'ondes asymétriques complexes et dépendants de la fréquence, le nouveau multiplexeur utilise une gaine anisotrope avec une faible dépendance en fréquence. Cette approche exploite pleinement la large bande passante offerte par les coupleurs coniques.
Il en résulte une bande passante fractionnelle proche de 40 %, un PER moyen supérieur à 20 dB et une perte d'insertion minimale d'environ 1 dB. Ces performances surpassent largement celles des conceptions optiques et micro-ondes existantes, souvent caractérisées par une bande passante étroite et des pertes élevées.
Les travaux de l'équipe de recherche améliorent non seulement l'efficacité des systèmes térahertz, mais posent également les bases d'une nouvelle ère de communication sans fil. Le Dr Gao a souligné : « Cette innovation est essentielle pour libérer le potentiel de la communication térahertz. » Les applications incluent le streaming vidéo haute définition, la réalité augmentée et les réseaux mobiles de nouvelle génération comme la 6G.
Les solutions traditionnelles de gestion de la polarisation térahertz, telles que les transducteurs à mode orthogonal (OMT) basés sur des guides d'ondes métalliques rectangulaires, sont confrontées à d'importantes limitations. Ces guides d'ondes métalliques subissent des pertes ohmiques accrues à haute fréquence, et leurs procédés de fabrication sont complexes en raison d'exigences géométriques strictes.
Les multiplexeurs de polarisation optique, y compris ceux utilisant des interféromètres de Mach-Zehnder ou des cristaux photoniques, offrent une meilleure intégrabilité et des pertes plus faibles, mais nécessitent souvent des compromis entre bande passante, compacité et complexité de fabrication.
Les coupleurs directionnels sont largement utilisés dans les systèmes optiques et nécessitent une forte biréfringence de polarisation pour obtenir une taille compacte et un PER élevé. Cependant, ils sont limités par une bande passante étroite et une sensibilité aux tolérances de fabrication.
Le nouveau multiplexeur combine les avantages des coupleurs directionnels coniques et d'une gaine moyenne efficace, surmontant ainsi ces limitations. La gaine anisotrope présente une biréfringence importante, garantissant un PER élevé sur une large bande passante. Ce principe de conception marque une rupture avec les méthodes traditionnelles et offre une solution évolutive et pratique pour l'intégration térahertz.
La validation expérimentale du multiplexeur a confirmé ses performances exceptionnelles. Le dispositif fonctionne efficacement dans la gamme 225-330 GHz, atteignant une bande passante fractionnaire de 37,8 % tout en maintenant un PER supérieur à 20 dB. Sa compacité et sa compatibilité avec les procédés de fabrication standards le rendent adapté à la production de masse.
Le Dr Gao a déclaré : « Cette innovation améliore non seulement l'efficacité des systèmes de communication térahertz, mais ouvre également la voie à des réseaux sans fil à haut débit plus puissants et plus fiables. »
Les applications potentielles de cette technologie s'étendent au-delà des systèmes de communication. En améliorant l'utilisation du spectre, le multiplexeur peut favoriser des avancées dans des domaines tels que le radar, l'imagerie et l'Internet des objets. « D'ici une décennie, nous prévoyons que ces technologies térahertz seront largement adoptées et intégrées dans divers secteurs », a déclaré le professeur Withayachumnankul.
Le multiplexeur s'intègre parfaitement aux dispositifs de formation de faisceaux précédemment développés par l'équipe, offrant ainsi des fonctionnalités de communication avancées sur une plateforme unifiée. Cette compatibilité souligne la polyvalence et l'évolutivité de la plateforme de guide d'ondes diélectrique à gaine moyenne.
Les résultats de recherche de l'équipe ont été publiés dans la revue Laser & Photonic Reviews, soulignant leur importance pour l'avancement de la technologie térahertz photonique. Le professeur Fujita a déclaré : « En surmontant des obstacles techniques majeurs, cette innovation devrait stimuler l'intérêt et la recherche dans ce domaine. »
Les chercheurs prévoient que leurs travaux inspireront de nouvelles applications et de nouvelles améliorations technologiques dans les années à venir, menant finalement à des prototypes et des produits commerciaux.
Ce multiplexeur représente une avancée significative dans l'exploitation du potentiel des communications térahertz. Grâce à ses performances inégalées, il établit une nouvelle norme pour les dispositifs térahertz intégrés.
Alors que la demande de réseaux de communication à haut débit et à haute capacité continue de croître, ces innovations joueront un rôle crucial dans l’avenir de la technologie sans fil.
Date de publication : 16 décembre 2024