multiplexen, de mogelijkheid om meerdere signalen via een enkel kanaal te verzenden, is een fundamenteel kenmerk van elk spraak- of datacommunicatiesysteem. Een internationaal onderzoeksteam heeft voor het eerst een methode gedemonstreerd voor het multiplexen van gegevens die op terahertz-golven worden gedragen, hoogfrequente straling die de volgende generatie draadloze netwerken met ultrahoge bandbreedte mogelijk maakt.

In het journaal Natuurcommunicatie , de onderzoekers rapporteren de transmissie van twee realtime videosignalen via een terahertz-multiplexer met een totale datasnelheid van 50 gigabit per seconde, ongeveer 100 keer de optimale gegevenssnelheid van het snelste mobiele netwerk van vandaag.

"We hebben laten zien dat we afzonderlijke datastromen op terahertz-golven kunnen verzenden met zeer hoge snelheden en met zeer lage foutenpercentages, " zei Daniël Mittleman, een professor in Brown's School of Engineering en de corresponderende auteur van het artikel. "Dit is de eerste keer dat iemand een terahertz-multiplexsysteem heeft gekarakteriseerd met behulp van actuele gegevens, en onze resultaten laten zien dat onze aanpak levensvatbaar kan zijn in toekomstige draadloze terahertz-netwerken."

Huidige spraak- en datanetwerken gebruiken microgolven om signalen draadloos over te dragen. Maar de vraag naar datatransmissie wordt snel groter dan microgolfnetwerken aankunnen. Terahertz-golven hebben hogere frequenties dan microgolven en daarom een ​​veel grotere capaciteit om gegevens te vervoeren. Echter, wetenschappers zijn nog maar net begonnen met experimenteren met terahertz-frequenties, en veel van de basiscomponenten die nodig zijn voor terahertz-communicatie bestaan ​​nog niet.

Een systeem voor multiplexen en demultiplexen (ook bekend als mux/demux) is een van die basiscomponenten. Het is de technologie waarmee één kabel meerdere tv-zenders kan vervoeren of honderden gebruikers toegang geeft tot een draadloos Wi-Fi-netwerk.

De mux/demux-benadering die Mittleman en zijn collega's ontwikkelden, maakt gebruik van twee metalen platen die evenwijdig aan elkaar zijn geplaatst om een ​​golfgeleider te vormen. In een van de platen zit een spleet. Wanneer terahertz-golven door de golfgeleider reizen, een deel van de straling lekt uit de spleet. De hoek waaronder stralingsbundels ontsnappen is afhankelijk van de frequentie van de golf.

"We kunnen verschillende golven met verschillende frequenties - elk met een gegevensstroom - in de golfgeleider plaatsen, en ze zullen elkaar niet storen omdat het verschillende frequenties zijn; dat is multiplexen, "Zei Mittleman. "Elk van die frequenties lekt onder een andere hoek uit de spleet, het scheiden van de datastromen; dat is demultiplexen."

Vanwege de aard van terahertz-golven, signalen in terahertz-communicatienetwerken zullen zich voortplanten als gerichte bundels, geen omnidirectionele uitzendingen zoals in bestaande draadloze systemen. Deze directionele relatie tussen voortplantingshoek en frequentie is de sleutel tot het mogelijk maken van mux/demux in terahertz-systemen. Een gebruiker op een bepaalde locatie (en dus onder een bepaalde hoek van het multiplexsysteem) zal op een bepaalde frequentie communiceren.

in 2015, Mittleman's lab publiceerde voor het eerst een paper waarin hun golfgeleiderconcept werd beschreven. Voor dat eerste werk het team gebruikte een breedband terahertz-lichtbron om te bevestigen dat verschillende frequenties inderdaad onder verschillende hoeken uit het apparaat kwamen.

Hoewel dat een effectief proof of concept was, Mittman zei, dit laatste werk nam de cruciale stap om het apparaat te testen met echte gegevens.

Werken met Guillaume Ducournau bij Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, CNRS/Universiteit van Rijsel, In Frankrijk, de onderzoekers codeerden twee high-definition televisie-uitzendingen op terahertz-golven van twee verschillende frequenties:264,7 GHz en 322,5 GHz. Vervolgens straalden ze beide frequenties samen in het multiplexersysteem, met een televisie-ontvanger die de signalen detecteert zodra ze uit het apparaat komen. Toen de onderzoekers hun ontvanger afstemden op de hoek van waaruit 264,7 GHz-golven werden uitgezonden, ze zagen het eerste kanaal. Toen ze uitgelijnd waren met 322,5 GHz, ze zagen de tweede.

Verdere experimenten toonden aan dat transmissies foutloos waren tot 10 gigabit per seconde, die veel sneller is dan de huidige standaard Wi-Fi-snelheden. Het foutenpercentage nam iets toe toen de snelheid werd opgevoerd tot 50 gigabit per seconde (25 gigabit per kanaal), maar waren nog steeds ruim binnen het bereik dat kan worden opgelost met behulp van voorwaartse foutcorrectie, die veel wordt gebruikt in de hedendaagse communicatienetwerken.

Naast het aantonen dat het apparaat werkte, Mittleman zegt dat het onderzoek enkele verrassende details onthulde over het verzenden van gegevens op terahertz-golven. Wanneer een terahertz-golf wordt gemoduleerd om gegevens te coderen - wat betekent dat aan en uit staat om nullen en enen te maken - wordt de hoofdgolf vergezeld van zijbandfrequenties die ook door een ontvanger moeten worden gedetecteerd om alle gegevens te verzenden. Uit het onderzoek bleek dat de hoek van de detector ten opzichte van de zijbanden belangrijk is om het foutenpercentage laag te houden.

"Als de hoek een beetje scheef is, misschien detecteren we de volledige kracht van het signaal, maar we ontvangen de ene zijband iets beter dan de andere, wat het foutenpercentage verhoogt.' Mittleman legde uit. 'Dus het is belangrijk om de hoek goed te hebben.'

Dergelijke fundamentele details zullen van cruciaal belang zijn, Mittman zei, wanneer het tijd is om te beginnen met het ontwerpen van de architectuur voor complete terahertz-datasystemen. "Het is iets dat we niet hadden verwacht, en het laat zien hoe belangrijk het is om deze systemen te karakteriseren met behulp van gegevens in plaats van alleen een ongemoduleerde stralingsbron."

De onderzoekers zijn van plan om deze en andere terahertz-componenten te blijven ontwikkelen. Mittleman ontving onlangs een licentie van de FCC om buitentests uit te voeren op terahertz-frequenties op de Brown University-campus.

"We denken dat we de licentie met de hoogste frequentie hebben die momenteel wordt uitgegeven door de FCC, en we hopen dat het een teken is dat het bureau serieus begint na te denken over terahertz-communicatie, "Zei Mittleman. "Bedrijven zullen terughoudend zijn om terahertz-technologieën te ontwikkelen totdat regelgevers een serieuze poging doen om frequentiebanden toe te wijzen voor specifiek gebruik, dus dit is een stap in de goede richting."