Om datatransmissiesnelheden mogelijk te maken die de 5e generatie (5G)-normen voor telecommunicatie overtreffen, wetenschappers van de Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) en Osaka University in Japan hebben een nieuwe chip gebouwd met behulp van een concept dat fotonische topologische isolatoren wordt genoemd.

Onlangs gepubliceerd in Natuurfotonica , de onderzoekers toonden aan dat hun chip terahertz (THz) golven kan verzenden, wat resulteert in een datasnelheid van 11 Gigabit per seconde (Gbit/s), die in staat is om realtime streaming van 4K high-definition video te ondersteunen, en overschrijdt de tot nu toe theoretische limiet van 10 Gbit/s voor draadloze 5G-communicatie.

THz-golven maken deel uit van het elektromagnetische spectrum, tussen infrarood lichtgolven en microgolven, en zijn aangeprezen als de volgende grens van snelle draadloze communicatie.

Echter, fundamentele uitdagingen moeten worden aangepakt voordat THz-golven betrouwbaar kunnen worden gebruikt in telecommunicatie. Twee van de grootste problemen zijn de materiaaldefecten en transmissiefouten in conventionele golfgeleiders zoals kristallen of holle kabels.

Deze problemen werden verholpen met behulp van Photonic Topological Insulators (PTI), waardoor lichtgolven kunnen worden geleid op het oppervlak en de randen van de isolatoren, verwant aan een trein die een spoor volgt, in plaats van door het materiaal.

Wanneer licht langs fotonische topologische isolatoren reist, het kan om scherpe hoeken worden geleid en de stroom ervan zal weerstand bieden aan verstoring door materiële onvolkomenheden.

Door een kleine siliciumchip te ontwerpen met rijen driehoekige gaten, met kleine driehoeken die in de tegenovergestelde richting wijzen van grotere driehoeken, lichtgolven worden 'topologisch beschermd'.

Deze volledig siliciumchip toonde aan dat hij signalen foutloos kan verzenden terwijl hij THz-golven rond 10 scherpe hoeken leidt met een snelheid van 11 gigabit per seconde, het omzeilen van materiaaldefecten die mogelijk zijn geïntroduceerd in het productieproces van silicium.

Projectleider, NTU Assoc Prof Ranjan Singh, zei dat dit de eerste keer was dat PTI's werden gerealiseerd in het terahertz-spectrale gebied, die het eerder theoretische concept bewijst, haalbaar in het echte leven.

Hun ontdekking zou de weg kunnen effenen voor meer PTI THz-interconnects - structuren die verschillende componenten in een circuit met elkaar verbinden - om te worden geïntegreerd in draadloze communicatieapparatuur, om de volgende generatie '6G'-communicatie in de toekomst een ongekende snelheid terabytes per seconde (10 tot 100 keer sneller dan 5G) te geven.

"Met de 4e industriële revolutie en de snelle adoptie van Internet-of-Things (IoT)-apparatuur, inclusief slimme apparaten, verre camera's en sensoren, IoT-apparatuur moet grote hoeveelheden data draadloos kunnen verwerken, en vertrouwt op communicatienetwerken om ultrahoge snelheden en lage latentie te leveren, " legt Assoc Prof Singh uit.

"Door gebruik te maken van THz-technologie, het kan de communicatie tussen chips en tussen chips mogelijk stimuleren om kunstmatige intelligentie en cloudgebaseerde technologieën te ondersteunen, zoals onderling verbonden zelfrijdende auto's, die gegevens snel moet verzenden naar andere auto's en infrastructuur in de buurt om beter te navigeren en ook om ongelukken te voorkomen."

Dit project kostte het NTU-team en hun medewerkers onder leiding van professor Masayki Fujita aan de universiteit van Osaka twee jaar ontwerp, fabricage, en testen.

Prof Singh is van mening dat door het ontwerpen en produceren van een geminiaturiseerd platform met behulp van de huidige siliciumproductieprocessen, hun nieuwe high-speed THz-interconnect-chip zal gemakkelijk kunnen worden geïntegreerd in elektronische en fotonische circuitontwerpen en zal de wijdverbreide acceptatie van THz in de toekomst helpen.

Mogelijke toepassingsgebieden voor THz-interconnecttechnologie zijn onder meer datacenters, IoT-apparaten, enorme multicore-CPU's (computerchips) en langeafstandscommunicatie, inclusief telecommunicatie en draadloze communicatie zoals Wi-Fi.