Un nouveau type de multiplexeur térahertz a doublé la capacité de données et considérablement amélioré la communication 6G grâce à une bande passante sans précédent et à une faible perte de données.
Des chercheurs ont mis au point un multiplexeur térahertz à très large bande qui double la capacité de données et ouvre la voie à des avancées révolutionnaires pour la 6G et les générations futures. (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 aux fréquences térahertz, offrant une bande passante inégalée pour la transmission et la communication de données ultrarapides. Cependant, pour exploiter pleinement ce potentiel, d'importants défis techniques 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 plateforme en silicium sans substrat.
Cette conception novatrice cible la bande J sub-térahertz (220-330 GHz) et vise à transformer les communications pour la 6G et les générations futures. L'appareil double efficacement la capacité de données tout en maintenant un faible taux de perte, ouvrant la voie à des réseaux sans fil haut débit performants 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, actuellement chercheur postdoctoral à l'Université d'Osaka, et le professeur Masayuki Fujita.
Le professeur Withayachumnankul a déclaré : « Le multiplexeur de polarisation proposé permet la transmission simultanée de plusieurs flux de données dans la même bande de fréquences, doublant ainsi la capacité de transmission. » La bande passante relative atteinte par ce dispositif est sans précédent sur toute la gamme de fréquences, ce qui représente une avancée majeure 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, augmentant ainsi considérablement la capacité du canal.
Ce nouveau dispositif y parvient grâce à l'utilisation de coupleurs directionnels coniques et d'un revêtement à milieu effectif anisotrope. Ces composants amplifient la biréfringence de polarisation, ce qui se traduit par un taux d'extinction de polarisation (PER) élevé et une large bande passante — des caractéristiques essentielles pour 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 un revêtement anisotrope dont la dépendance à la fréquence est minime. 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 ouvrent également la voie à une nouvelle ère dans les communications sans fil. Le Dr Gao a souligné : « Cette innovation est un facteur clé pour libérer le potentiel des communications térahertz. » Parmi les applications possibles, citons la diffusion 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 modes orthogonaux (OMT) basés sur des guides d'ondes métalliques rectangulaires, présentent des limitations importantes. Les guides d'ondes métalliques subissent des pertes ohmiques accrues aux hautes fréquences, 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 la bande passante, la compacité et la 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.
Ce nouveau multiplexeur combine les avantages des coupleurs directionnels coniques et du gainage à milieu effectif, surmontant ainsi leurs limitations. Le gainage 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, offrant 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 bande de fréquences 225-330 GHz, atteignant une bande passante fractionnelle de 37,8 % tout en maintenant un PER supérieur à 20 dB. Sa taille compacte et sa compatibilité avec les procédés de fabrication standard le rendent adapté à la production en série.
Le Dr Gao a fait remarquer : « Cette innovation améliore non seulement l'efficacité des systèmes de communication térahertz, mais ouvre également la voie à des réseaux sans fil haut débit plus puissants et plus fiables. »
Les applications potentielles de cette technologie dépassent le cadre des systèmes de communication. En optimisant l'utilisation du spectre, le multiplexeur peut favoriser les progrès dans des domaines tels que le radar, l'imagerie et l'Internet des objets. « D'ici une dizaine d'années, nous prévoyons que ces technologies térahertz seront largement adoptées et intégrées dans divers secteurs industriels », a déclaré le professeur Withayachumnankul.
Le multiplexeur peut également être intégré sans difficulté aux dispositifs de formation de faisceaux précédemment développés par l'équipe, permettant 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 de milieu effectif.
Les résultats de cette recherche ont été publiés dans la revue Laser & Photonic Reviews, soulignant leur importance pour le développement de la technologie photonique térahertz. 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, aboutissant finalement à des prototypes et des produits commerciaux.
Ce multiplexeur représente une avancée majeure dans l'exploitation du potentiel des communications térahertz. Grâce à ses performances exceptionnelles, il établit une nouvelle norme pour les dispositifs térahertz intégrés.
Face à la demande croissante de réseaux de communication à haut débit et à haute capacité, de telles innovations joueront un rôle crucial dans l'avenir de la technologie sans fil.
Date de publication : 16 décembre 2024