To enable data transmission speeds that surpass the 5th Generation (5G) standards for telecommunications, scientists from Nanyang Technological University, Singapore (NTU Singapore) and Osaka University in Japan have built a new chip using a concept called photonic topological insulators.Published recently in Nature Photonics, the researchers showed that their chip can transmit terahertz (THz) waves resulting in a data rate of 11 Gigabits per second (Gbit/s), which is capable of supporting real-time streaming of 4K high-definition video, and exceeds the hitherto theoretical limit of 10 Gbit/s for 5G wireless communications.
THz waves are part of the electromagnetic spectrum, in between infrared light waves and microwaves, and have been touted as the next frontier of high-speed wireless communications.
However, fundamental challenges need to be tackled before THz waves could be used reliably in telecommunications. Two of the biggest issues are the material defects and transmission error rates found in conventional waveguides such as crystals or hollow cables.
These issues were overcome using Photonic Topological Insulators (PTI), which allows light waves to be conducted on the surface and edges of the insulators, akin to a train following railroads, rather than through the material.
When light travels along photonic topological insulators, it can be redirected around sharp corners and its flow will resist being disturbed by material imperfections.
By designing a small silicon chip with rows of triangular holes, with small triangles pointing in the opposite direction to larger triangles, light waves become ‘topologically protected.’
This all-silicon chip demonstrated it could transmit signals error-free while routing THz waves around 10 sharp corners at a rate of 11 gigabits per second, bypassing any material defects that may have been introduced in the silicon manufacturing process.
Leader of the project, NTU Assoc Prof Ranjan Singh, said this was the first time that PTIs have been realized in the terahertz spectral region, which proves the previously theoretical concept, feasible in real life.
Their discovery could pave the way for more PTI THz interconnects—structures that connect various components in a circuit—to be integrated into wireless communication devices, to give the next generation ‘6G’ communications an unprecedented terabytes-per-second speed (10 to 100 times faster than 5G) in future.”With the 4th industrial revolution and the rapid adoption of Internet-of-Things (IoT) equipment, including smart devices, remote cameras and sensors, IoT equipment needs to handle high volumes of data wirelessly, and relies on communication networks to deliver ultra-high speeds and low latency,” explains Assoc Prof Singh.
„By employing THz technology, it can potentially boost intra-chip and inter-chip communication to support Artificial intelligence and cloud-based technologies, such as interconnected self-driving cars, which will need to transmit data quickly to other nearby cars and infrastructure to navigate better and also to avoid accidents.”
This project took the NTU team and their collaborators led by Professor Masayki Fujita at Osaka University two years of design, fabrication, and testing.
Prof Singh believes that by designing and producing a miniaturized platform using current silicon manufacturing processes, their new high-speed THz interconnect chip will be easily integrated into electronic and photonic circuit designs and will help the widespread adoption of THz in future.
Areas of potential application for THz interconnect technology will include data centers, IOT devices, massive multicore CPUs (computing chips) and long-range communications, including telecommunications and wireless communication such as Wi-Fi.
Pentru a permite viteze de transmitere a datelor care depășesc standardele de generație a 5-a (5G) pentru telecomunicații, oamenii de știință de la Universitatea Tehnologică Nanyang, Singapore (NTU Singapore) și Universitatea Osaka din Japonia au construit un cip nou folosind un concept numit izolatori topologici fotonici. Publicat recent în Nature Fotonici, cercetătorii au arătat că cipul lor poate transmite unde terahertz (THz), rezultând o rată de date de 11 Gigabiți pe secundă (Gbit / s), care este capabil să susțină streaming în timp real de 4K video de înaltă definiție și depășește valoarea până acum limita teoretică de 10 Gbit / s pentru comunicații wireless 5G.
Undele THz fac parte din spectrul electromagnetic, între undele de lumină infraroșie și microunde și au fost considerate următoarea frontieră a comunicațiilor wireless de mare viteză.
Cu toate acestea, trebuie să fie abordate provocări fundamentale înainte ca undele THz să poată fi utilizate în mod fiabil în telecomunicații. Două dintre cele mai mari probleme sunt defectele materiale și ratele de eroare de transmisie găsite în ghidurile de undă convenționale.
Aceste probleme au fost depășite folosind izolatoare topologice fotonice (PTI), ceea ce permite ca undele de lumină să fie efectuate pe suprafața și marginile izolatorilor mai degrabă decât prin material.
Când lumina călătorește de-a lungul izolatoarelor topologice fotonice, aceasta poate fi redirecționată în jurul colțurilor ascuțite, iar fluxul acesteia va rezista să fie perturbat de imperfecțiunile materiale.
Prin proiectarea unui mic cip de siliciu cu rânduri de găuri triunghiulare, cu triunghiuri mici orientate în direcția opusă triunghiurilor mai mari, undele de lumină devin „protejate topologic”.
Acest cip cu siliciu total a demonstrat că poate transmite semnale fără erori în timp ce dirijează undele THz în jurul a 10 colțuri ascuțite, cu o viteză de 11 gigabits pe secundă, ocolind orice defecte materiale care ar fi putut fi introduse în procesul de fabricație a siliciului.
Liderul proiectului, conf. NTU, prof. Ranjan Singh, a declarat că a fost prima dată când PTI-urile au fost realizate în regiunea spectrală terahertz, ceea ce dovedește conceptul teoretic anterior, fezabil în viața reală.
Descoperirea lor ar putea deschide calea pentru mai multe interconectări PTI THz – structuri care conectează diverse componente într-un circuit – pentru a fi integrate în dispozitivele de comunicații fără fir, pentru a oferi comunicațiilor „6G” următoarei generații o viteză terabyte-pe-secundă fără precedent (10 – 100) de mai multe ori mai rapid decât 5G) în viitor. „Odată cu a 4-a revoluție industrială și adoptarea rapidă a echipamentelor Internet-of-Things (IoT), inclusiv dispozitive inteligente, camere de la distanță și senzori, echipamentele IoT trebuie să se ocupe de volume mari de date fără fir și se bazează pe rețelele de comunicații pentru a oferi viteze ultra-mari și latență scăzută „, explică prof. conf. Singh.
„Folosind tehnologia THz, se poate potența comunicarea intra-cip și inter-cip pentru a sprijini inteligența artificială și tehnologiile bazate pe cloud, cum ar fi mașinile cu autovehicule interconectate, care vor trebui să transmită rapid date către alte mașini și infrastructură din apropiere pentru a naviga mai bine și, de asemenea, pentru a evita accidentele. „
Acest proiect i-a luat echipei NTU și colaboratorii lor, conduși de profesorul Masayki Fujita de la Universitatea Osaka, doi ani de proiectare, fabricație și testare.
Prof Singh consideră că, prin proiectarea și producerea unei platforme miniaturizate, folosind procesele actuale de fabricație a siliciului, noul lor cip de interconectare de mare viteză THz va fi integrat cu ușurință în proiectele circuitelor electronice și fotonice și va ajuta la adoptarea pe scară largă a THz în viitor.
Domeniile de aplicare potențială pentru tehnologia de interconectare THz vor include centre de date, dispozitive IOT, procesoare masive multicore (cipuri de calcul) și comunicații pe distanțe lungi, inclusiv telecomunicații și comunicații wireless, cum ar fi Wi-Fi.
Mihail stories 