Urządzenia terahercowe znacznie zwiększą prędkość przesyłania i przetwarzania danych. W ramach tego badania naukowcy opracowali nową strategię przekształcania częstotliwości fali terahercowej przemieszczającej się w falowodzie na inną częstotliwość losową w zakresie terahercowym, co jest transformacją niezbędną do zastosowań praktycznych. Prawa autorskie: SciTechDaily.com
Innowacyjne podejście rozwija technologię terahercową, ułatwiając szybszy transfer danych i szersze zastosowanie.
Technologia terahercowa ma potencjał, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie na szybsze przesyłanie danych, ale konwersja sygnałów terahercowych na inne niższe częstotliwości pozostaje wyzwaniem. Niedawno japońscy badacze opracowali nowe podejście do przekształcania sygnałów terahercowych w górę i w dół w fali optycznej. Osiąga się to poprzez dynamiczną zmianę przewodności światłowodu za pomocą światła, tworząc w ten sposób granice czasowe. Ten przełom może doprowadzić do postępu w optoelektronice i poprawy efektywności komunikacji.
W miarę jak wkraczamy głębiej w erę informacji, zapotrzebowanie na szybszy transfer danych stale rośnie, co pogłębia szybki postęp w takich obszarach, jak głębokie uczenie się i robotyka. W tym kontekście coraz więcej naukowców bada możliwość wykorzystania fal terahercowych do opracowania technologii szybkiej komunikacji.
Jednak aby efektywnie wykorzystać pasmo terahercowe, potrzebujemy technik multipleksowania z podziałem częstotliwości (FDM), aby transmitować wiele sygnałów jednocześnie. Oczywiście możliwość konwersji częstotliwości sygnału terahercowego na inną częstotliwość losową lub konwersję jej na niższą częstotliwość jest logicznym warunkiem wstępnym dla technologii multipleksowania z podziałem częstotliwości. Niestety okazało się to bardzo trudne przy obecnych technologiach. Głównym problemem jest to, że fale terahercowe są falami o bardzo wysokiej częstotliwości z punktu widzenia konwencjonalnej elektroniki i światłem o bardzo niskiej energii w kontekście optyki, co wykracza poza możliwości większości urządzeń i konfiguracji w obu dziedzinach. Aby pokonać obecne ograniczenia, konieczne będzie zatem radykalnie odmienne podejście.
Innowacyjne rozwiązanie konwersji częstotliwości
Co zaskakujące, w niedawnym badaniu opublikowanym w Nanofotonika 20 maja 2024 r. zespół badawczy, w skład którego wchodzi adiunkt Keisuke Takano z Shinshu University College of Science w Japonii, zgłosił innowacyjne rozwiązanie umożliwiające obniżenie częstotliwości fal terahercowych. Współautorami ich artykułu są Fumiaki Miyamaru z Uniwersytetu Shinshu, Toshihiro Nakanishi z Uniwersytetu w Kioto, Yusuke Nakata z Uniwersytetu w Osace oraz Joel Pérez Urquizo, Julian Madeo i Keshav M. Dani z Instytutu Nauki i Technologii Okinawy.
Proponowana strategia opiera się na transformacjach częstotliwości zachodzących w układach zmiennych w czasie. Podobnie jak wektor ogranicza pakiet fal przemieszczający się w przestrzeni, istnieje podobna koncepcja występująca w czasie, znana jako przewodnictwo wektora czasowego. Mówiąc najprościej, zmiany zachodzące w całym systemie w czasie działają jak „granice czasowe”. Podobnie do granic przestrzennych (na przykład styku dwóch różnych ośrodków), granice czasowe mogą zmieniać właściwości dyspersji fali prowadzącej, powodując różne wzorce propagacji na nowych częstotliwościach.
Eksperymenty i potencjalne zastosowania
Aby stworzyć te ograniczenia czasowe, badacze najpierw umieścili falę GaAs na cienkiej warstwie metalu. Gdy fale terahercowe przemieszczały się przez przewodnik w trybie magnetycznym poprzecznym (TM), zaświeciły światłem na nagą powierzchnię GaAs. Powstałe w ten sposób wzbudzenie optyczne górnej powierzchni natychmiast zmieniło jej przewodność, skutecznie przekształcając dolną falę metalu w równoległą podwójną falę metalu. To przejście od jednej struktury falowej do drugiej stanowiło ograniczenie czasowe, ponieważ nadchodzące mody TM gołej fali były sprzężone z poprzecznym trybem elektromagnetycznym (TEM) sprzężonej fali metalicznej. Ponieważ krzywa dyspersji trybu TEM zajmuje niższe pasmo częstotliwości niż przychodzący tryb TM, podejście to wytwarza falę terahercową o niskiej częstotliwości.
Zespół badawczy przeprowadził eksperymenty, które ostatecznie potwierdziły kompleksową analizę teoretyczną proponowanej metody konwersji częstotliwości. Wyniki tego badania rysują zatem świetlaną przyszłość dla nadchodzącej technologii terahercowej. Podekscytowany wynikami dr Takano mówi: „Urządzenia do konwersji częstotliwości dla fal terahercowych mają potencjał do zastosowania w przyszłości w ultraszybkiej komunikacji bezprzewodowej, na przykład mogą umożliwić redundancję informacji między kanałami o częstotliwości terahercowej przenoszącymi różne dane być także urządzeniami, w których integruje się obwody przetwarzania informacji o falach terahercowych z różnymi komponentami przetwarzania wizualnego. Warto zauważyć, że konwersję w górę poprzez proponowane podejście wykazano również w „F. Miyamaru i in.,Journal of Physics, 127, 053902 (2021).„Co więcej, konwersję w górę można przełączać w górę i w dół, manipulując polaryzacją wejściowych fal terahercowych, co pomaga uczynić FDM w zakresie terahercowym wygodniejszym.
Ponadto obecna metoda konwersji częstotliwości nie ogranicza się wyłącznie do falowodów terahercowych i może mieć również ważne implikacje w dziedzinie optyki. „Należy mieć świadomość, że koncepcja tego badania wykracza poza zakres częstotliwości terahercowych i można ją zastosować również do zakresu częstotliwości optycznych” – komentuje dr Takano. „Ultraszybkie urządzenia do konwersji częstotliwości składające się z optycznie modulowanych falowodów wykorzystujących ind i tlenek cyny może być możliwe.” Ponadto na podstawie ostatnich wyników.”
Dalszy rozwój w tej dziedzinie może ostatecznie doprowadzić do szybszej i bardziej energooszczędnej komunikacji, pomagając nam w budowaniu bardziej połączonego i zrównoważonego społeczeństwa.
Odniesienie: „Konwersja częstotliwości fal terahercowych w optycznie indukowanych granicach czasowych w falowodach GaAs” autorstwa Keisuke Takano, Satoko Uchiyama, Shintaro Nagase, Yuka Tsuchimoto, Toshihiro Nakanishi, Yusuke Nakata, Joel Perez-Urquizo, Julian Madeo i Keshav M. Danny i Fumiaki Miyamaru, 20 maja 2024 r., Nanofotonika.
DOI: 10.1515/nanoph-2024-0010
Finansowanie: Japońskie Towarzystwo Promocji Nauki, JST PRESTO, Preliminary Research on Embriology Science and Technology, Okinawa Institute of Science and Technology, Takano Gakujutsu-Shinko-Zeidan Foundation
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
