Για να επιτρέψουν ταχύτητες μετάδοσης δεδομένων που ξεπερνούν τα πρότυπα 5ης γενιάς (5G) για τηλεπικοινωνίες, επιστήμονες από το Nanyang Technological University, στη Σιγκαπούρη (NTU Singapore) και το Osaka University στην Ιαπωνία έχουν δημιουργήσει ένα νέο τσιπ χρησιμοποιώντας μια ιδέα που ονομάζεται φωτονικοί τοπολογικοί μονωτές.
Δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Nature Photonics, και οι ερευνητές έδειξαν ότι το τσιπ τους μπορεί να μεταδώσει κύματα terahertz (THz) με αποτέλεσμα ρυθμό δεδομένων 11 Gigabits ανά δευτερόλεπτο (Gbit/s), το οποίο είναι ικανό να υποστηρίζει ροή βίντεο υψηλής ευκρίνειας 4K σε πραγματικό χρόνο και υπερβαίνει το μέχρι τώρα θεωρητικό όριο των 10 Gbit/s για ασύρματες επικοινωνίες 5G.
Τα κύματα THz αποτελούν μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, ανάμεσα στα υπέρυθρα κύματα φωτός και τα μικροκύματα και έχουν χαρακτηριστεί ως τα επόμενα σύνορα των ασύρματων επικοινωνιών υψηλής ταχύτητας.
Ωστόσο, οι θεμελιώδεις προκλήσεις πρέπει να αντιμετωπιστούν προτού τα κύματα THz μπορούν να χρησιμοποιηθούν αξιόπιστα στις τηλεπικοινωνίες. Δύο από τα μεγαλύτερα ζητήματα είναι τα ελαττώματα υλικού και οι ρυθμοί σφάλματος μετάδοσης που βρίσκονται σε συμβατικούς κυματοδηγούς όπως κρύσταλλα ή κοίλα καλώδια.
Αυτά τα ζητήματα ξεπεράστηκαν με τη χρήση φωτονικών τοπολογικών μονωτών (PTI), η οποία επιτρέπει τη διεξαγωγή φωτεινών κυμάτων στην επιφάνεια και τις άκρες των μονωτών, παρόμοια με μια αμαξοστοιχία που ακολουθεί σιδηροδρόμους, παρά μέσω του υλικού.
Όταν το φως κινείται κατά μήκος φωτονικών τοπολογικών μονωτών, μπορεί να ανακατευθυνθεί γύρω από αιχμηρές γωνίες και η ροή του θα αντισταθεί στην ενοχλητική λειτουργία από υλικές ατέλειες.
Σχεδιάζοντας ένα μικρό τσιπ πυριτίου με σειρές τριγωνικών οπών, με μικρά τρίγωνα που δείχνουν προς την αντίθετη κατεύθυνση προς μεγαλύτερα τρίγωνα, τα κύματα φωτός γίνονται «προστατευμένα τοπολογικά».
Αυτό το all-silicon chip απέδειξε ότι θα μπορούσε να μεταδίδει σήματα χωρίς σφάλματα ενώ δρομολογεί κύματα THz γύρω στις 10 αιχμηρές γωνίες με ρυθμό 11 gigabits ανά δευτερόλεπτο, παρακάμπτοντας τυχόν ελαττώματα υλικού που μπορεί να έχουν εισαχθεί στη διαδικασία κατασκευής πυριτίου.
Ο επικεφαλής του έργου, NTU Αναπληρωτής καθηγητής Ranjan Singh, είπε ότι ήταν η πρώτη φορά που τα PTIs πραγματοποιήθηκαν στη φασματική περιοχή terahertz, η οποία αποδεικνύει την προηγουμένως θεωρητική ιδέα, εφικτή στην πραγματική ζωή.
Η ανακάλυψή τους θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για περισσότερες διασυνδέσεις PTI THz – δομές που συνδέουν διάφορα στοιχεία σε ένα κύκλωμα – να ενσωματωθούν σε ασύρματες συσκευές επικοινωνίας, για να δώσουν στην επικοινωνία επόμενης γενιάς «6G» μια άνευ προηγουμένου ταχύτητα terabyte ανά δευτερόλεπτο (10 έως 100 φορές πιο γρήγορα από το 5G) στο μέλλον.
«Με την 4η βιομηχανική επανάσταση και την ταχεία υιοθέτηση εξοπλισμού Internet-of-Things (IoT), συμπεριλαμβανομένων έξυπνων συσκευών, απομακρυσμένων φωτογραφικών μηχανών και αισθητήρων, ο εξοπλισμός IoT πρέπει να χειρίζεται υψηλούς όγκους δεδομένων ασύρματα και βασίζεται σε δίκτυα επικοινωνίας για να παρέχει εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες και χαμηλή καθυστέρηση», εξηγεί ο καθηγητής Singh.
«Χρησιμοποιώντας την τεχνολογία THz, μπορεί δυνητικά να ενισχύσει την επικοινωνία μεταξύ chip και inter-chip για την υποστήριξη τεχνολογιών Τεχνητής νοημοσύνης και cloud, όπως διασυνδεδεμένα αυτοκινούμενα αυτοκίνητα, τα οποία θα πρέπει να μεταδίδουν δεδομένα γρήγορα σε άλλα κοντινά αυτοκίνητα και υποδομές για να πλοηγηθούν καλύτερα και επίσης για να αποφύγουν ατυχήματα».
Αυτό το έργο πήρε την ομάδα NTU και τους συνεργάτες τους με επικεφαλής τον καθηγητή Masayki Fujita από το University of Osaka, δύο χρόνια σχεδιασμού, κατασκευής και δοκιμών.
Ο καθηγητής Singh πιστεύει ότι σχεδιάζοντας και παράγοντας μια μικροσκοπική πλατφόρμα χρησιμοποιώντας τρέχουσες διαδικασίες κατασκευής πυριτίου, το νέο υψηλής ταχύτητας τσιπ διασύνδεσης THz θα ενσωματωθεί εύκολα σε ηλεκτρονικά και φωτονικά κυκλώματα και θα βοηθήσει στην ευρεία υιοθέτηση του THz στο μέλλον.
Τομείς πιθανής εφαρμογής για την τεχνολογία διασύνδεσης THz θα περιλαμβάνει κέντρα δεδομένων, συσκευές IOT, τεράστιους πολυπύρηνους επεξεργαστές (υπολογιστικά τσιπ) και επικοινωνίες μεγάλης εμβέλειας, συμπεριλαμβανομένων τηλεπικοινωνιών και ασύρματων επικοινωνιών όπως το Wi-Fi.
Επιστημονικό Άρθρο:
Yihao Yang et al. – Terahertz topological photonics for on-chip communication, Nature Photonics (2020).
