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Sep 23, 2023

Weltweit erste Demonstration des Terahertz-Zeichens

Bild des National Institute of Information and Communications Technology (NICT):

Nationales Institut für Informations- und Kommunikationstechnologie (NICT)

Bild: Abbildung 1 Konzept der transparenten Weiterleitung und Umschaltung von Terahertzwellensignalen mittels direkter Terahertz-optischer Umwandlung und optischer Wellenlängensteuerung.mehr sehen

Bildnachweis: National Institute of Information and Communications Technology (NICT), Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd., Nagoya Institute of Technology und Waseda University

– Das weltweit erste System für die transparente Weiterleitung, Weiterleitung und Vermittlung von Terahertzwellensignalen mit hoher Kapazität an verschiedene Standorte. – Die transparente Weiterleitung und Vermittlung von Terahertzwellensignalen im 285-GHz-Band mithilfe direkter Terahertz-optischer Umwandlung und Glasfaser –Die drahtlose Technologie wurde demonstriert und erreichte eine Kapazität von 32 Gbit/s. – Das System ebnet den Weg für den Einsatz der Terahertz-Kommunikation in Netzwerken jenseits von 5G.

Das National Institute of Information and Communications Technology (NICT, Präsident: TOKUDA ​​Hideyuki, Ph.D.), Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. (Präsident: MOROHASHI Hirotsune), Nagoya Institute of Technology (Präsident: Dr. KINOSHITA Takatoshi), und die Waseda-Universität (Präsident: TANAKA Aiji, Ph.D.) 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 für die direkte Umwandlung von Terahertz-Wellensignalen in optische Signale und eine adaptive Glasfaser-Funktechnologie für das ultraschnelle Schalten 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 2023 International Conference on Optical Fiber Communications (OFC 2023) veröffentlicht und am Donnerstag, 9. März 2023 (Ortszeit) vorgestellt.

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 haben wir das erste System für die transparente Weiterleitung, Weiterleitung und Vermittlung von Terahertz-Signalen im 285-GHz-Band (siehe Abbildung 1) demonstriert, das zwei Schlüsseltechnologien nutzt: (i) einen neu entwickelten verlustarmen optischen Modulator und ( ii) eine adaptive Faser-Funk-Technologie unter Verwendung eines ultraschnellen, wellenlängenabstimmbaren Lasers. 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 konnten wir erstmals erfolgreich die transparente Weiterleitung und Vermittlung von Terahertz-Signalen im 285-GHz-Band demonstrieren und eine Übertragungskapazität von 32 Gbit/s unter Verwendung einer orthogonalen 4-Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) erreichen Frequenzmultiplex-Signal (OFDM). 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: Direkte Umwandlung von Terahertz-Signalen in optische Signale mithilfe eines neu entwickelten verlustarmen optischen Modulators (siehe Abbildung 2): Dies wurde durch die Durchführung einer Ti-Diffusion auf dem x-geschnittenen Lithiumniobat (LiNbO3) erreicht Dicke: ≤ 100 µm) in der Schicht mit niedriger Dielektrizitätskonstante für den Betrieb bis zu 330 GHz. – Ultraschnelle Terahertz-Signalumschaltung durch Steuerung der Wellenlängen abstimmbarer Laser, um Terahertz-Signale an verschiedene Orte zu leiten und zu verteilen – 4-QAM OFDM-Signalübertragung

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.

In Zukunft werden wir 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 wir internationale Standardisierungs- und gesellschaftliche Umsetzungsaktivitäten im Zusammenhang mit Glasfaser-Funk- und Terahertzwellen-Kommunikationssystemen fördern.

Die Ergebnisse dieser Demonstration wurden auf der 2023 International Conference on Optical Fiber Communication (OFC 2023, 5. März (Sonntag) bis 9. März (Donnerstag)) veröffentlicht, einer der größten internationalen Konferenzen im Bereich der Glasfaserkommunikation. Es wurde hoch bewertet und am Donnerstag, 9. März 2023 (Ortszeit), in der Post-Deadline-Sitzung vorgestellt, in der bekanntermaßen die neuesten wichtigen Forschungsergebnisse veröffentlicht werden.

– Internationale Konferenz: 2023 Optical Fiber Communications (OFC 2023), März 2023, Vortrag Th4A.6 (PostDeadline-Beitrag) – Titel: Transparent Relay and Switching of THz-wave Signals in 285-GHz Band Using Photonic Technology – Autoren: Pham Tien Dat , Yuya Yamaguchi, Keizo Inagaki, Shingo Takano, Shotaro Hirata, Junichiro Ichikawa, Ryo Shimizu, Isao Morohashi, Yuki Yoshida, Atsushi Kanno, Naokatsu Yamamoto, Tetsuya Kawanishi, Kouichi Akahane

- „Auf dem Weg zu einer unterbrechungsfreien Kommunikation für Benutzer, die sich mit 500 km pro Stunde fortbewegen“https://www.nict.go.jp/en/press/2018/05/08-1.html

- „Weltweit erstes transparentes Faser-Millimeterwellen-Fasersystem im 100-GHz-Band mit verlustarmem optischen Modulator und direkter photonischer Abwärtskonvertierung“https://www.nict.go.jp/en/press/2021/08 /06-1.html

Experimentelle Studie

Unzutreffend

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