Multiplexering, förmågan att skicka flera signaler genom en enda kanal, är en grundläggande egenskap hos alla röst- eller datakommunikationssystem. Ett internationellt forskarlag har för första gången demonstrerat en metod för att multiplexera data som bärs på terahertzvågor, högfrekvent strålning som kan möjliggöra nästa generation av trådlösa nätverk med ultrahög bandbredd.

I journalen Naturkommunikation , forskarna rapporterar överföringen av två realtidsvideosignaler genom en terahertz-multiplexer med en sammanlagd datahastighet på 50 gigabit per sekund, ungefär 100 gånger den optimala datahastigheten för dagens snabbaste mobilnät.

"Vi visade att vi kan sända separata dataströmmar på terahertzvågor med mycket höga hastigheter och med mycket låga felfrekvenser, sa Daniel Mittleman, en professor vid Browns School of Engineering och tidningens motsvarande författare. "Detta är första gången någon har karaktäriserat ett terahertz-multiplexsystem med hjälp av faktiska data, och våra resultat visar att vårt tillvägagångssätt kan vara genomförbart i framtida trådlösa terahertz-nätverk."

Nuvarande röst- och datanätverk använder mikrovågor för att överföra signaler trådlöst. Men efterfrågan på dataöverföring blir snabbt mer än vad mikrovågsnätverk klarar av. Terahertzvågor har högre frekvenser än mikrovågor och därför mycket större kapacitet att överföra data. Dock, forskare har bara börjat experimentera med terahertz-frekvenser, och många av de grundläggande komponenterna som behövs för terahertz-kommunikation finns inte ännu.

Ett system för multiplexering och demultiplexering (även känt som mux/demux) är en av dessa grundläggande komponenter. Det är tekniken som gör att en kabel kan bära flera TV-kanaler eller hundratals användare att komma åt ett trådlöst Wi-Fi-nätverk.

Mux/demux-metoden som Mittleman och hans kollegor utvecklade använder sig av två metallplattor placerade parallellt med varandra för att bilda en vågledare. En av plattorna har en skåra i sig. När terahertzvågor färdas genom vågledaren, en del av strålningen läcker ut ur slitsen. Vinkeln vid vilken strålar kommer ut beror på vågens frekvens.

"Vi kan lägga flera vågor på flera olika frekvenser - var och en av dem bär en dataström - i vågledaren, och de kommer inte att störa varandra eftersom de har olika frekvenser; det är multiplexing, ", sa Mittleman. "Var och en av dessa frekvenser läcker ut ur slitsen i en annan vinkel, separering av dataströmmarna; det är demultiplexing."

På grund av terahertzvågornas natur, signaler i terahertz kommunikationsnätverk sprider sig som riktade strålar, inte rundstrålande sändningar som i befintliga trådlösa system. Detta riktningsförhållande mellan utbredningsvinkel och frekvens är nyckeln till att möjliggöra mux/demux i terahertz-system. En användare på en viss plats (och därför i en viss vinkel från multiplexeringssystemet) kommer att kommunicera på en viss frekvens.

2015, Mittlemans labb publicerade först en artikel som beskrev deras vågledarkoncept. För det första arbetet, teamet använde en bredbandsljuskälla av terahertz för att bekräfta att olika frekvenser verkligen kom från enheten i olika vinklar.

Även om det var ett effektivt proof of concept, Mittleman sa, detta senaste arbete tog det kritiska steget att testa enheten med riktiga data.

Arbetar med Guillaume Ducournau på Institut d'Electronique de Microélectronique et de Nanotechnologie, CNRS/University of Lille, i Frankrike, forskarna kodade två högupplösta TV-sändningar på terahertzvågor med två olika frekvenser:264,7 GHz och 322,5 GHz. De strålade sedan ihop båda frekvenserna till multiplexersystemet, med en tv-mottagare inställd för att upptäcka signalerna när de kom ut från enheten. När forskarna justerade sin mottagare till vinkeln från vilken 264,7 GHz-vågor sänds ut, de såg den första kanalen. När de anpassade sig till 322,5 GHz, de såg den andra.

Ytterligare experiment visade att överföringar var felfria upp till 10 gigabit per sekund, vilket är mycket snabbare än dagens vanliga Wi-Fi-hastigheter. Felfrekvensen ökade något när hastigheten höjdes till 50 gigabit per sekund (25 gigabit per kanal), men var fortfarande väl inom det intervall som kan fixas med hjälp av framåtriktad felkorrigering, som är vanligt förekommande i dagens kommunikationsnät.

Förutom att visa att enheten fungerade, Mittleman säger att forskningen avslöjade några överraskande detaljer om överföring av data på terahertzvågor. När en terahertz-våg moduleras för att koda data – vilket betyder på och av för att göra nollor och ettor – åtföljs huvudvågen av sidbandsfrekvenser som också måste detekteras av en mottagare för att kunna överföra all data. Forskningen visade att detektorns vinkel i förhållande till sidbanden är viktig för att hålla felfrekvensen nere.

"Om vinkeln är lite av, vi kanske känner av signalens fulla kraft, men vi tar emot det ena sidbandet lite bättre än det andra, vilket ökar felfrekvensen." förklarade Mittleman. "Så det är viktigt att ha rätt vinkel."

Sådana grundläggande detaljer kommer att vara kritiska, Mittleman sa, när det är dags att börja designa arkitekturen för kompletta terahertz datasystem. "Det är något vi inte förväntade oss, och det visar hur viktigt det är att karakterisera dessa system med hjälp av data snarare än bara en omodulerad strålningskälla."

Forskarna planerar att fortsätta utveckla denna och andra terahertz-komponenter. Mittleman fick nyligen en licens från FCC för att utföra utomhustester vid terahertz-frekvenser på Brown University campus.

"Vi tror att vi har den högsta frekvenslicensen som för närvarande utfärdas av FCC, och vi hoppas att det är ett tecken på att byrån på allvar börjar tänka på terahertz-kommunikation, ", sa Mittleman. "Företag kommer att vara ovilliga att utveckla terahertz-teknologier tills det finns ett seriöst försök från tillsynsmyndigheterna att allokera frekvensband för specifika användningar, så det här är ett steg i rätt riktning."