Da sinistra:Abhishek Kumar, dottorando dell'ultimo anno della NTU, Assoc Prof Ranjan Singh e postdoc Dr Yihao Yang. Il dottor Singh tiene in mano il chip isolante topologico fotonico in silicio, che può trasmettere onde terahertz a velocità ultraelevate. Credito:NTU Singapore
Per consentire velocità di trasmissione dati che superano gli standard di quinta generazione (5G) per le telecomunicazioni, scienziati della Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) e l'Università di Osaka in Giappone hanno costruito un nuovo chip utilizzando un concetto chiamato isolanti topologici fotonici.
Pubblicato di recente in Fotonica della natura , i ricercatori hanno dimostrato che il loro chip può trasmettere onde terahertz (THz) con una velocità di trasmissione dati di 11 Gigabit al secondo (Gbit/s), che è in grado di supportare lo streaming in tempo reale di video 4K ad alta definizione, e supera il limite finora teorico di 10 Gbit/s per le comunicazioni wireless 5G.
Le onde THz fanno parte dello spettro elettromagnetico, tra onde di luce infrarossa e microonde, e sono stati pubblicizzati come la prossima frontiera delle comunicazioni wireless ad alta velocità.
Però, devono essere affrontate sfide fondamentali prima che le onde THz possano essere utilizzate in modo affidabile nelle telecomunicazioni. Due dei maggiori problemi sono i difetti del materiale e i tassi di errore di trasmissione riscontrati nelle guide d'onda convenzionali come i cristalli o i cavi cavi.
Questi problemi sono stati superati utilizzando isolanti topologici fotonici (PTI), che consente di condurre le onde luminose sulla superficie e sui bordi degli isolatori, simile a un treno che segue le ferrovie, piuttosto che attraverso il materiale.
Quando la luce viaggia lungo isolanti topologici fotonici, può essere deviato intorno a spigoli vivi e il suo flusso resisterà ad essere disturbato da imperfezioni materiali.
Progettando un piccolo chip di silicio con file di fori triangolari, con piccoli triangoli che puntano nella direzione opposta a triangoli più grandi, le onde luminose diventano "topologicamente protette".
Da sinistra:il fisico NTU Assoc Prof Ranjan Singh e il primo autore dell'articolo Dr Yihao Yang discutono di futuri esperimenti con il loro nuovo chip terahertz isolante topologico fotonico Credito:NTU Singapore
Questo chip interamente in silicio ha dimostrato di poter trasmettere segnali senza errori durante l'instradamento delle onde THz intorno a 10 angoli acuti a una velocità di 11 gigabit al secondo, bypassando eventuali difetti del materiale che potrebbero essere stati introdotti nel processo di produzione del silicio.
Capofila del progetto, NTU Assoc Prof Ranjan Singh, ha detto che questa è stata la prima volta che i PTI sono stati realizzati nella regione spettrale dei terahertz, che conferma il concetto precedentemente teorico, fattibile nella vita reale.
La loro scoperta potrebbe aprire la strada a più interconnessioni PTI THz, strutture che collegano vari componenti in un circuito, da integrare in dispositivi di comunicazione wireless, per dare alla prossima generazione di comunicazioni "6G" una velocità di terabyte al secondo senza precedenti (da 10 a 100 volte più veloce del 5G) in futuro.
"Con la quarta rivoluzione industriale e la rapida adozione di apparecchiature Internet-of-Things (IoT), compresi i dispositivi intelligenti, telecamere e sensori remoti, Le apparecchiature IoT devono gestire grandi volumi di dati in modalità wireless, e si affida alle reti di comunicazione per fornire velocità ultraelevate e bassa latenza, " spiega Assoc Prof Singh.
"Utilizzando la tecnologia THz, può potenzialmente potenziare la comunicazione intra-chip e inter-chip per supportare l'intelligenza artificiale e le tecnologie basate su cloud, come le auto interconnesse a guida autonoma, che dovrà trasmettere rapidamente i dati ad altre auto e infrastrutture vicine per navigare meglio e anche per evitare incidenti".
Questo progetto ha richiesto al team NTU e ai suoi collaboratori guidati dal professor Masayki Fujita dell'Università di Osaka due anni di progettazione, fabbricazione, e test.
Il professor Singh ritiene che progettando e producendo una piattaforma miniaturizzata utilizzando gli attuali processi di produzione del silicio, il loro nuovo chip di interconnessione THz ad alta velocità sarà facilmente integrato nei progetti di circuiti elettronici e fotonici e aiuterà l'adozione diffusa di THz in futuro.
Le aree di potenziale applicazione per la tecnologia di interconnessione THz includeranno data center, dispositivi IoT, enormi CPU multicore (chip di elaborazione) e comunicazioni a lungo raggio, comprese le telecomunicazioni e le comunicazioni wireless come il Wi-Fi.
