Forskere bygger ultra-højhastigheds terahertz trådløs chip

For at muliggøre dataoverførselshastigheder, der overgår 5. generations (5G) standarder for telekommunikation, forskere fra Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) og Osaka University i Japan har bygget en ny chip ved hjælp af et koncept kaldet fotoniske topologiske isolatorer.

Udgivet for nylig i Naturfotonik , forskerne viste, at deres chip kan transmittere terahertz (THz) bølger, hvilket resulterer i en datahastighed på 11 Gigabits per sekund (Gbit/s), som er i stand til at understøtte realtidsstreaming af 4K high-definition video, og overskrider den hidtil teoretiske grænse på 10 Gbit/s for 5G trådløs kommunikation.

THz-bølger er en del af det elektromagnetiske spektrum, mellem infrarøde lysbølger og mikrobølger, og er blevet udråbt som den næste grænse for trådløs højhastighedskommunikation.

Imidlertid, grundlæggende udfordringer skal tackles, før THz-bølger kan bruges pålideligt i telekommunikation. To af de største problemer er materialefejl og transmissionsfejlrater, der findes i konventionelle bølgeledere, såsom krystaller eller hule kabler.

Disse problemer blev overvundet ved hjælp af fotoniske topologiske isolatorer (PTI), som gør det muligt at lede lysbølger på overfladen og kanterne af isolatorerne, beslægtet med et tog, der følger jernbaner, snarere end gennem materialet.

Når lys bevæger sig langs fotoniske topologiske isolatorer, det kan omdirigeres rundt om skarpe hjørner, og dets flow vil modstå at blive forstyrret af materielle ufuldkommenheder.

Ved at designe en lille siliciumchip med rækker af trekantede huller, med små trekanter, der peger i modsat retning af større trekanter, lysbølger bliver 'topologisk beskyttet'.

Denne siliciumchip viste, at den kunne transmittere signaler fejlfrit, mens den dirigerer THz-bølger omkring 10 skarpe hjørner med en hastighed på 11 gigabit pr. omgå eventuelle materialefejl, der kan være blevet introduceret i siliciumfremstillingsprocessen.

Leder af projektet, NTU Associate Professor Ranjan Singh, sagde, at dette var første gang, at PTI'er er blevet realiseret i terahertz-spektralområdet, hvilket beviser det tidligere teoretiske koncept, muligt i det virkelige liv.

Deres opdagelse kan bane vejen for, at flere PTI THz-forbindelser - strukturer, der forbinder forskellige komponenter i et kredsløb - kan integreres i trådløse kommunikationsenheder, at give næste generations '6G'-kommunikation en hidtil uset terabyte-per-sekund hastighed (10 til 100 gange hurtigere end 5G) i fremtiden.

"Med den 4. industrielle revolution og den hurtige indførelse af Internet-of-Things (IoT) udstyr, herunder smarte enheder, fjernkameraer og sensorer, IoT-udstyr skal håndtere store mængder data trådløst, og er afhængig af kommunikationsnetværk for at levere ultrahøje hastigheder og lav latenstid, " forklarer Associate Professor Singh.

"Ved at anvende THz-teknologi, det kan potentielt booste intra-chip og inter-chip kommunikation for at understøtte kunstig intelligens og cloud-baserede teknologier, såsom sammenkoblede selvkørende biler, som bliver nødt til at overføre data hurtigt til andre nærliggende biler og infrastruktur for at navigere bedre og også for at undgå ulykker."

Dette projekt tog NTU-teamet og deres samarbejdspartnere ledet af professor Masayki Fujita ved Osaka University to års design, fremstilling, og testning.

Prof Singh mener, at ved at designe og producere en miniaturiseret platform ved hjælp af nuværende siliciumfremstillingsprocesser, deres nye højhastigheds-THz-interconnect-chip vil nemt blive integreret i elektroniske og fotoniske kredsløbsdesign og vil hjælpe med den udbredte anvendelse af THz i fremtiden.

Områder med potentiel anvendelse for THz-sammenkoblingsteknologi vil omfatte datacentre, IOT enheder, massive multicore CPU'er (computerchips) og lang rækkevidde kommunikation, herunder telekommunikation og trådløs kommunikation såsom Wi-Fi.