Un nuevo tipo de multiplexor de terahercios ha duplicado la capacidad de datos y mejorado significativamente la comunicación 6G con un ancho de banda sin precedentes y una baja pérdida de datos.
Investigadores han presentado un multiplexor de terahercios de banda ultraancha que duplica la capacidad de datos y aporta avances revolucionarios a la tecnología 6G y futuras generaciones. (Fuente de la imagen: Getty Images)
La comunicación inalámbrica de próxima generación, representada por la tecnología de terahercios, promete revolucionar la transmisión de datos.
Estos sistemas operan en frecuencias de terahercios, ofreciendo un ancho de banda sin precedentes para la transmisión y comunicación de datos ultrarrápida. Sin embargo, para aprovechar plenamente este potencial, es necesario superar importantes desafíos técnicos, en particular en la gestión y el uso eficaz del espectro disponible.
Un avance revolucionario ha dado respuesta a este desafío: el primer (de)multiplexor de polarización de terahercios integrado de banda ultraancha realizado sobre una plataforma de silicio sin sustrato.
Este innovador diseño se centra en la banda J de sub-terahercios (220-330 GHz) y busca transformar las comunicaciones para 6G y generaciones posteriores. El dispositivo duplica eficazmente la capacidad de datos manteniendo una baja tasa de pérdida, allanando el camino hacia redes inalámbricas de alta velocidad eficientes y confiables.
El equipo que hizo posible este hito incluye al profesor Withawat Withayachumnankul de la Facultad de Ingeniería Eléctrica y Mecánica de la Universidad de Adelaida, al Dr. Weijie Gao, actualmente investigador postdoctoral en la Universidad de Osaka, y al profesor Masayuki Fujita.
El profesor Withayachumnankul afirmó: «El multiplexor de polarización propuesto permite transmitir múltiples flujos de datos simultáneamente dentro de la misma banda de frecuencia, duplicando así la capacidad de datos». El ancho de banda relativo alcanzado por el dispositivo no tiene precedentes en ningún rango de frecuencia, lo que representa un avance significativo para los multiplexores integrados.
Los multiplexores de polarización son esenciales en las comunicaciones modernas, ya que permiten que múltiples señales compartan la misma banda de frecuencia, lo que mejora significativamente la capacidad del canal.
El nuevo dispositivo logra esto mediante el uso de acopladores direccionales cónicos y un revestimiento de medio efectivo anisotrópico. Estos componentes mejoran la birrefringencia de polarización, lo que resulta en una alta relación de extinción de polarización (PER) y un ancho de banda amplio, características clave para sistemas de comunicación de terahercios eficientes.
A diferencia de los diseños tradicionales que se basan en guías de onda asimétricas complejas y dependientes de la frecuencia, el nuevo multiplexor emplea un revestimiento anisotrópico con una dependencia de la frecuencia mínima. Este enfoque aprovecha al máximo el amplio ancho de banda que proporcionan los acopladores cónicos.
El resultado es un ancho de banda fraccional cercano al 40 %, una relación de potencia promedio superior a 20 dB y una pérdida de inserción mínima de aproximadamente 1 dB. Estas métricas de rendimiento superan con creces las de los diseños ópticos y de microondas existentes, que suelen presentar un ancho de banda reducido y altas pérdidas.
El trabajo del equipo de investigación no solo mejora la eficiencia de los sistemas de terahercios, sino que también sienta las bases para una nueva era en la comunicación inalámbrica. El Dr. Gao señaló: «Esta innovación es clave para aprovechar el potencial de la comunicación en terahercios». Entre sus aplicaciones se incluyen la transmisión de vídeo de alta definición, la realidad aumentada y las redes móviles de próxima generación, como la 6G.
Las soluciones tradicionales de gestión de polarización en el rango de terahercios, como los transductores de modo ortogonal (OMT) basados en guías de onda metálicas rectangulares, presentan limitaciones importantes. Las guías de onda metálicas experimentan mayores pérdidas óhmicas a frecuencias más altas, y sus procesos de fabricación son complejos debido a los estrictos requisitos geométricos.
Los multiplexores de polarización óptica, incluidos los que utilizan interferómetros de Mach-Zehnder o cristales fotónicos, ofrecen una mejor integrabilidad y menores pérdidas, pero a menudo requieren un compromiso entre el ancho de banda, la compacidad y la complejidad de fabricación.
Los acopladores direccionales se utilizan ampliamente en sistemas ópticos y requieren una fuerte birrefringencia de polarización para lograr un tamaño compacto y una alta relación de extinción de polarización (PER). Sin embargo, están limitados por un ancho de banda estrecho y son sensibles a las tolerancias de fabricación.
El nuevo multiplexor combina las ventajas de los acopladores direccionales cónicos y el revestimiento de medio efectivo, superando así estas limitaciones. El revestimiento anisotrópico presenta una birrefringencia significativa, lo que garantiza una alta relación de extinción de polarización (PER) en un amplio ancho de banda. Este principio de diseño supone un cambio con respecto a los métodos tradicionales, proporcionando una solución escalable y práctica para la integración de terahercios.
La validación experimental del multiplexor confirmó su excepcional rendimiento. El dispositivo opera de manera eficiente en el rango de 225 a 330 GHz, alcanzando un ancho de banda fraccional del 37,8 % y manteniendo una relación de pérdida de señal (PER) superior a 20 dB. Su tamaño compacto y su compatibilidad con los procesos de fabricación estándar lo hacen idóneo para la producción en masa.
El Dr. Gao comentó: "Esta innovación no solo mejora la eficiencia de los sistemas de comunicación de terahercios, sino que también allana el camino para redes inalámbricas de alta velocidad más potentes y fiables".
Las posibles aplicaciones de esta tecnología van más allá de los sistemas de comunicación. Al mejorar la utilización del espectro, el multiplexor puede impulsar avances en campos como el radar, la imagen y el Internet de las Cosas. «En una década, esperamos que estas tecnologías de terahercios se adopten e integren ampliamente en diversas industrias», afirmó el profesor Withayachumnankul.
El multiplexor también se puede integrar sin problemas con dispositivos de formación de haces desarrollados previamente por el equipo, lo que permite funcionalidades de comunicación avanzadas en una plataforma unificada. Esta compatibilidad pone de manifiesto la versatilidad y escalabilidad de la plataforma de guía de ondas dieléctricas con revestimiento de medio efectivo.
Los resultados de la investigación del equipo se han publicado en la revista Laser & Photonic Reviews, donde se destaca su importancia para el avance de la tecnología fotónica de terahercios. El profesor Fujita comentó: «Al superar importantes barreras técnicas, se espera que esta innovación impulse el interés y la actividad investigadora en este campo».
Los investigadores prevén que su trabajo inspirará nuevas aplicaciones y mejoras tecnológicas en los próximos años, lo que en última instancia dará lugar a prototipos y productos comerciales.
Este multiplexor representa un avance significativo para aprovechar el potencial de la comunicación en la banda de terahercios. Establece un nuevo estándar para los dispositivos integrados de terahercios gracias a sus métricas de rendimiento sin precedentes.
A medida que la demanda de redes de comunicación de alta velocidad y gran capacidad siga creciendo, estas innovaciones desempeñarán un papel crucial en la configuración del futuro de la tecnología inalámbrica.
Fecha de publicación: 16 de diciembre de 2024