Terahertz çoklayıcı ile ilk veri iletimi: Günümüzün en iyi zamanından 100 kat daha hızlı
Nature Communications dergisinde araştırmacılar, iki gerçek zamanlı video sinyalinin, bir terahertz çoklayıcı üzerinden saniyede 50 gigabit’lik bir toplam veri hızında, günümüzün en hızlı hücresel ağının en uygun veri hızının yaklaşık 100 katından iletildiğini bildiriyor.
Çoğullama, tek bir kanal üzerinden çoklu sinyal gönderme yeteneği, herhangi bir ses veya veri iletişim sisteminin temel bir özelliğidir. Uluslararası bir araştırma ekibi, ilk kez ultra yüksek bant genişliğine sahip kablosuz ağlara olanak tanıyan terahertz dalgaları, yüksek frekanslı radyasyon üzerinde taşınan verilerin çoğaltılması için bir yöntem olduğunu göstermiştir.
Brown School School’daki profesör ve makalenin ilgili yazarı Daniel Mittleman, “Terahertz dalgaları üzerinde farklı veri akışlarını çok yüksek hızlarda ve çok düşük hata oranlarıyla iletebileceğimizi gösterdik” diyor. “Bu, gerçek verileri kullanan herkesin bir terahertz çoğullama sistemini ilk kez tanımladığı ve sonuçlarımızın gelecekteki terahertz kablosuz ağlarında uygulanabilir olduğunun gösterildiğini gösteriyor.
Mevcut ses ve veri ağları, sinyalleri kablosuz olarak taşımak için mikrodalga kullanır. Ancak veri iletimi talebi, mikrodalga ağlarının başa çıkabileceğinden daha hızlı oluyor. Terahertz dalgaları mikrodalgalara göre daha yüksek frekanslara sahiptir ve bu nedenle veri taşıma kapasitesi çok daha yüksektir. Ancak, bilim adamları sadece terahertz frekansları ile deney yapmaya başladılar ve terahertz iletişimi için gerekli olan temel bileşenlerin çoğu henüz mevcut değil.
Çoğullama ve demultipleksleme için bir sistem (mux / demux olarak da bilinir) bu temel bileşenlerden biridir. Tek bir kablonun kablosuz bir Wi-Fi ağına erişmek için birden fazla TV kanalını veya yüzlerce kullanıcısını taşımasına izin veren teknoloji.
Mux / demux yaklaşımı Mittleman ve meslektaşları, bir dalga kılavuzu oluşturmak için birbirine paralel yerleştirilmiş iki metal plaka kullanırlar. Levhalardan birinin bir yarık kesimi vardır. Terahertz dalgaları dalga kılavuzundan geçerken, radyasyonun bir kısmı yarıktan dışarı sızar. Radyasyon ışınlarının kaçtığı açı, dalganın frekansına bağlıdır.
Mittleman, “Her biri bir veri akışı taşıyan bir çok farklı frekansta dalga dalgalarına girebiliriz ve birbirleriyle etkileşime girmeyecekleri için birbirlerini etkilemeyeceklerdir, çünkü bunlar farklı frekanslardır, bu çoklayıcıdır” dedi. “Bu frekansların her biri, yarıktan farklı bir açıdan sızıyor, veri akışlarını birbirinden ayırıyor; bu da ayrılmaz.”
Terahertz dalgalarının doğası gereği, terahertz iletişim ağlarındaki sinyaller, mevcut kablosuz sistemlerde olduğu gibi yönlü yayınlar değil, yönlendirici ışınlar olarak yayılacaktır. Yayılma açısı ve frekans arasındaki bu yönlü ilişki, terahertz sistemlerinde mux / demux özelliğini etkinleştirmenin anahtarıdır. Belli bir lokasyondaki bir kullanıcı (ve bu nedenle çoğullama sisteminden belirli bir açıda) belirli bir frekansta iletişim kuracaktır.
2015 yılında Mittleman’ın laboratuvarı ilk olarak dalga kılavuzu konseptini açıklayan bir makale yayınladı. Bu ilk çalışma için, ekip farklı frekanslarda cihazdan farklı frekansların ortaya çıktığını doğrulamak için geniş bant terahertz ışık kaynağı kullandı.
Bu konseptin etkili bir kanıtı olsa da Mittleman, bu son çalışmanın cihazı gerçek verilerle test etmenin kritik adımını attığını söyledi.
Araştırmacılar, Fransa’daki CNRS University of Lille’deki Institut d’Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie’de bulunan Ducournau ile birlikte çalışarak, iki yüksek frekanslı televizyon yayınını iki farklı frekansta terahertz dalgaları üzerine kodladılar: 264.7 GHz ve 322.5 GHz. Daha sonra, her iki frekansı birlikte çoklayıcı sisteme ışınladılar, bir televizyon alıcısı aygıttan çıkan sinyalleri algılayacak şekilde ayarlandı. Araştırmacılar alıcılarını 264,7 GHz dalga yaydığı açıya hizaladıklarında ilk kanalı gördüler. 322.5 GHz ile hizalandıklarında, ikinciyi gördüler.
Diğer deneyler, yayınların saniyede 10 gigabite kadar hatasız olduğunu gösterdi ki bu da bugünün standart Wi-Fi hızlarından çok daha hızlıydı. Hız, saniyede 50 gigabite (kanal başına 25 gigabit) yükseltildiğinde, ancak günümüzün iletişim ağlarında yaygın olarak kullanılan ileri hata düzeltmesi kullanılarak düzeltilebilecek aralıkta hala iyi bir seviyede olduğunda hata oranları bir miktar artmıştır.
Cihazın çalıştığını göstermenin yanı sıra Mittleman, araştırmanın terahertz dalgaları hakkında veri aktarımı ile ilgili bazı şaşırtıcı detayları ortaya koyduğunu söyledi. Bir terahertz dalgası, verileri kodlamak için modüle edildiğinde – yani sıfır ve sıfır yapmak için açılıp kapatılan – ana dalgaya, tüm verileri iletmek için bir alıcı tarafından tespit edilmesi gereken yan bant frekansları eşlik eder. Araştırma, yan bantlara göre dedektörün açısının hata oranını düşürmek için önemli olduğunu gösterdi.
“Eğer açı biraz kapalıysa, sinyalin tam gücünü algılıyor olabiliriz, ama bir yan bantı diğerinden biraz daha iyi alıyoruz, bu da hata oranını arttırıyor.” Mittleman açıkladı. “Yani doğru açıya sahip olmak önemlidir.”
Mimari tasarımı
Mittleman, terahertz’un tüm veri sistemleri için mimariyi tasarlamaya başlama zamanı geldiğinde, bunun gibi önemli detayların kritik olacağını söyledi. “Beklemediğimiz bir şey ve bu sistemlerin, sadece modüle edilmemiş bir radyasyon kaynağı olmaktan ziyade verileri kullanarak nasıl karakterize etmesinin ne kadar önemli olduğunu gösteriyor.”
Araştırmacılar bu ve diğer terahertz bileşenlerini geliştirmeye devam etmeyi planlıyorlar. Mittleman geçtiğimiz günlerde FCC’den Brown University kampüsünde terahertz frekanslarında açık test yapmak için lisans aldı.
Mittleman, “Şu anda FCC tarafından yayınlanan en yüksek frekanslı lisansa sahip olduğumuzu düşünüyoruz ve ajansın terahertz iletişimi hakkında ciddi düşünmeye başladığının bir işareti olduğunu umuyoruz.” Dedi. “Düzenleyiciler tarafından belirli kullanımlar için frekans bantları tahsis etmek için ciddi bir çaba sarf edilene kadar şirketler terahertz teknolojilerini geliştirmeye isteksiz olacaklar, bu yüzden bu doğru yönde bir adımdır.”
Bu çalışma ABD Ulusal Bilim Vakfı, ABD Ordusu Araştırma Ofisi, W.M. Keck Vakfı ve Fransa’nın Agence Nationale de la Recherche, COM’TONIQ ve TERALINKS araştırma hibeleri altında ve Hauts-de-France bölgesinde geliştirilen CPER “Toplum için Fotonikler” çerçevesinde.