Weltweit erste Demonstration eines transparenten Relais und Schaltens für Terahertz-Signale

6. Juni 2023

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vom National Institute of Information and Communications Technology (NICT)

Ein Team bestehend aus Forschern des National Institute of Information and Communications Technology; Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd.; Nagoya Institute of Technology; und die Waseda-Universität haben gemeinsam das weltweit erste System für die transparente Weiterleitung, Weiterleitung und Vermittlung von Hochgeschwindigkeits-Terahertzwellensignalen an verschiedene Standorte entwickelt.

Die direkte Umwandlung eines 32-Gb/s-Terahertzwellensignals im 285-GHz-Band in eine Glasfaser und deren transparente Weiterleitung sowie die Umschaltung auf verschiedene Zugangspunkte in ultrakurzen Zeiträumen wurde erfolgreich demonstriert.

Zu den Schlüsseltechnologien gehören ein neu entwickelter verlustarmer optischer Modulator zur direkten Umwandlung von Terahertz-Wellensignalen in optische Signale und eine adaptive Glasfasertechnologie zur ultraschnellen Umschaltung von Terahertz-Signalen. Das entwickelte System überwindet die Nachteile der Funkkommunikation im Terahertz-Band, wie z. B. hohe Freiraumverluste, schwache Durchdringung und begrenzte Kommunikationsabdeckung, und ebnet den Weg für den Einsatz von Terahertz-Kommunikation in Netzwerken jenseits von 5G und 6G.

Die Ergebnisse dieser Demonstration wurden als Post-Deadline-Paper auf der International Conference on Optical Fiber Communications 2023 (OFC 2023) veröffentlicht.

Funkfrequenzen im Terahertz-Band sind vielversprechende Kandidaten für die Kommunikation mit ultrahohen Datenraten in Netzwerken jenseits von 5G und 6G. Für Mobilfunk- und Festnetzdienste wurde kürzlich ein 160-GHz-Slot im 275-450-GHz-Band eröffnet. Ein hoher Freiraumverlust und eine schwache Durchdringung stellen jedoch weiterhin Engpässe dar, die die Übertragung von Signalen über große Entfernungen, beispielsweise von außen nach innen oder in Umgebungen mit Hindernissen, erschweren.

Eine transparente Weiterleitung und Weiterleitung von Terahertz-Signalen zwischen verschiedenen Standorten ist entscheidend, um diese Nachteile zu überwinden und die Kommunikationsabdeckung zu erweitern. Diese Funktionen können jedoch mit aktuellen elektronischen Technologien nicht realisiert werden. Darüber hinaus erschwert die schmale Strahlbreite von Terahertz-Signalen eine unterbrechungsfreie Kommunikation, wenn sich Benutzer bewegen. Das Umschalten von Terahertz-Signalen zwischen verschiedenen Richtungen und Standorten ist für die Aufrechterhaltung der Kommunikation mit Endbenutzern von entscheidender Bedeutung.

Dieses kritische Problem wurde jedoch bisher nicht mithilfe elektronischer oder photonischer Technologien angegangen. Außerdem ist es wichtig, die Emission von Terahertz-Signalen in angemessenen Abständen ein- und auszuschalten, um Energie zu sparen und Störungen zu reduzieren.

In dieser Studie demonstrierte das Team das erste System für die transparente Weiterleitung, Weiterleitung und Vermittlung von Terahertz-Signalen im 285-GHz-Band, das zwei Schlüsseltechnologien nutzt: (i) einen neu entwickelten verlustarmen optischen Modulator und (ii) einen adaptiven Faser-Wireless-Technologie mit einem ultraschnellen, wellenlängenabstimmbaren Laser. In dem System werden Terahertz-Signale empfangen und mithilfe von Terahertz-optischen Konvertierungsgeräten mit verlustarmen optischen Modulatoren direkt in optische Signale umgewandelt.

Lichtwellensignale von abstimmbaren Lasern werden in die Modulatoren eingegeben, und Wellenlängenrouter werden verwendet, um die Signale an verschiedene Zugangspunkte zu leiten, denen bestimmte Wellenlängen zugewiesen werden. An den Zugangspunkten werden die modulierten optischen Signale mithilfe optischer Terahertz-Konverter wieder in Terahertz-Signale umgewandelt. Terahertz-Signale können durch Umschalten der Wellenlängen der abstimmbaren Laser auf verschiedene Zugangspunkte umgeschaltet werden.

Die abstimmbaren Laser können unabhängig voneinander gesteuert werden, und die Anzahl der Zugangspunkte, die gleichzeitig Terahertz-Signale erzeugen können, entspricht der Anzahl der aktiven abstimmbaren Laser. Mit den in dieser Studie entwickelten Technologien demonstrierte das Team erstmals erfolgreich die transparente Weiterleitung und Vermittlung von Terahertz-Signalen im 285-GHz-Band und erreichte eine Übertragungskapazität von 32 Gbit/s mithilfe einer 4-Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM). OFDM-Signal (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Die Möglichkeit, die Terahertzwellensignale in weniger als 10 μs umzuschalten, wurde bewertet, was bestätigte, dass eine unterbrechungsfreie Kommunikation im Terahertzband erreicht werden kann.

Das System besteht aus den folgenden Schlüsselelementtechnologien:

Durch die transparente Weiterleitung und Verteilung von Terahertz-Signalen an verschiedene Standorte können hohe Freiraum- und Durchdringungsverluste von Funksignalen im Terahertz-Band überwunden und die Kommunikationsabdeckung erheblich erweitert werden. Darüber hinaus kann durch die zeitnahe Weiterleitung und Umschaltung der Signale in verschiedene Richtungen/Standorte die Kommunikation auch dann aufrechterhalten werden, wenn Hindernisse auftreten und/oder Benutzer sich bewegen.

Darüber hinaus können durch das Ein- und Ausschalten der Emission von Terahertzwellensignalen von Zugangspunkten in geeigneten Intervallen Energieeinsparungen und eine Reduzierung von Interferenzen erreicht werden. Diese Merkmale machen das vorgeschlagene System zu einer vielversprechenden Lösung zur Überwindung der Engpässe der Terahertzwellen-Kommunikation und ebnen den Weg für seinen Einsatz in Netzwerken jenseits von 5G und 6G.

Zukünftig werden die Forscher das in dieser Studie entwickelte Terahertz-optische Konvertierungsgerät und die Glasfaser-Wireless-Technologie untersuchen, um die Funkfrequenz und Übertragungskapazität weiter zu erhöhen. Darüber hinaus werden sie internationale Standardisierungs- und gesellschaftliche Umsetzungsaktivitäten im Zusammenhang mit Glasfaser-Wireless- und Terahertz-Wellen-Kommunikationssystemen fördern.