Onderzoekers weten efficiënt terahertzverbindingen te realiseren

Duitse en Ierse wetenschappers hebben met behulp van lasers en een film samengesteld uit lagen mangaan en gallium, een elektromagnetische straling in de terahertzfrequentieruimte van één golflengte weten op te wekken.

De vinding is om twee redenen relevant, namelijk omdat het opwekken van een enkele golflengte in het terahertzspectrum via deze methode betrekkelijk makkelijk is en de golflengte goed te reguleren is door de dikte van de film te variëren. Het opwekken van zogenaamde monochromatische frequenties of frequenties van één golflengte in het terahertzspectrum is moeilijk en over het algemeen kostbaar. Deze methode lijkt volgens de onderzoekers van het Helmholtz-onderzoekscentrum betrekkelijk eenvoudig op te schalen voor massaproductie en te integreren in halfgeleiders.

De onderzoekers willen hierna een stap verder gaan en productierijpe wifi-modules bouwen die bandbreedtes tot 100Gbit/s kunnen bereiken. Hiervoor moeten de lagen van mangaan en gallium wel elektrisch in plaats van met laserpulsen worden aangeslagen. Als dat lukt, kan geëxperimenteerd worden met draadloze lokale netwerken. De frequenties die de onderzoekers stabiel wisten op te wekken, lagen tussen de 0,20 en 0,35THz schrijven ze in hun artikel in Applied Physics Letters.

Met de huidige wifi-technieken waarbij de 2,4GHz- of 5GHz-band gebruikt wordt, kan op dit moment een maximale overdrachtssnelheid van respectievelijk 150Mbit/s of 866,7Mbit/s per stream gehaald worden, afhankelijk van de maximale bandbreedte. Terahertz-wifi kan mogelijk leiden tot datadoorvoersnelheden tot 100Gbit/s. Eerder wisten Japanse onderzoekers al een datadoorvoersnelheid van 3Gbit/s te halen bij 542GHz of 0,542THz.

Onder de terahertz-band worden over het algemeen frequenties vanaf 300GHz tot en met 3THz geschaard.

Reacties (41)

[_Mithrandir]

De grote is vraag is dan wel hoe ze het bereik van deze verbinding gaan optimaliseren op zo'n hoge frequentie. Met de huidige technologie is het bereik van wifi al vaker de bottleneck voor het halen van de maximale snelheid

[Reactie gewijzigd door _Mithrandir op 29 juli 2024 21:59]

[djexplo]

Bereik (in openlucht) is niet zo'n groot probleem, zie deze paper:
https://utol.okstate.edu/...OP-JOPT-Impulse-Radio.pdf

Er zijn een groot aantal frequenties rond de 1 THz die door water worden geabsorbeerd (resonantie frequenties), maar er zijn een klein aantal frequentie banden die goed doorkomen.

[GeoBeo]

De grote is vraag is dan wel hoe ze het bereik van deze verbinding gaan optimaliseren op zo'n hoge frequentie. Met de huidige technologie is het bereik van wifi al vaker de bottleneck voor het halen van de maximale snelheid

Hoezo?

Photon energy in THz regime is less than band-gap of nonmetallic materials and thus THz beam can traverse through such materials. The transmitted THz beam is used for material characterization, layer inspection and developing transmission images.[2]

https://en.wikipedia.org/wiki/Terahertz_radiation

Ik ken er het natuurkundige fijne niet van, maar om nou aan te nemen dat het bereik met THz EM communicatie slechter zou zijn dan met de huidige wifi lijkt met kort door de bocht en tevens nergens op gebaseerd?

Om met een Elon Musk quote af te sluiten die hierop erg van toepassing is:

I think it is important to reason from first principles rather than by analogy.

The normal way we conduct our lives is we reason by analogy. We are doing this because it is like something else that was done, or it is like what other people are doing. With First Principles, we boil things down to the fundamental truth and reason up from there.

//Offtopic:
Met Wifi zijn er overigens tegenwoordig al prima oplossingen om snelheid en bereik omhoog te krikken. Je moet dan natuurlijk niet de standaard China-troep router van je internet provider gebruiken of de goedkoopste router willen hebben. En neem als referentie ook vooral niet de niet-werkende gratis "wifi" in publieke ruimtes. Maar als je wat geld neerlegt voor antenne's en routers met nieuwe tech dan gaat het prima.

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 29 juli 2024 21:59]

[.oisyn]

Leuk dat je nu precies dezelfde verkeerde aanname maakt. Dat het door de meeste nonmetalen heen gaat is een leuke eigenschap, maar daarmee is nog niet gezegd dat het daadwerkelijke bereik door de atmosfeer goed is. Want exact hetzelfde wikipedia artikel dat jij aanhaalt (compleet zonder dat te noemen als bronvermelding ), stelt het volgende:

The earth's atmosphere is a strong absorber of terahertz radiation in specific water vapor absorption bands, so the range of terahertz radiation is limited enough to affect its usefulness in long-distance communications. However, at distances of ~10 meters the band may still allow many useful applications in imaging and construction of high bandwidth wireless networking systems

En:

In May 2012, a team of researchers from the Tokyo Institute of Technology[26] published in Electronics Letters that it had set a new record for wireless data transmission by using T-rays and proposed they be used as bandwidth for data transmission in the future.[27] The team's proof of concept device used a resonant tunneling diode (RTD) in which the voltage decreased as the current increased, causing the diode to "resonate" and produce waves in the terahertz band. With this RTD, the researchers sent a signal at 542 GHz, resulting in a data transfer rate of 3 Gigabits per second.[27][27] It doubled the record for data transmission set the previous November.[28] The study suggested that Wi-Fi using the system would be limited to approximately 10 metres (33 ft), but could allow data transmission at up to 100 Gbit/s.[27]

Waarbij ze linken naar dit onderzoek.

Uit een recenter onderzoek, hierboven gelinkt in djexplo in 'nieuws: Onderzoekers weten efficiënt terahertz-verbindingen te re..., blijkt dat de soep gelukkig niet zo heet hoeft te worden gegeten als dat hij wordt opgediend, en lijken er toch nog een behoorlijk bereik (ordegrootte 100m) mee behaald te kunnen worden.

[GeoBeo]

Leuk dat je nu precies dezelfde verkeerde aanname maakt. Dat het door de meeste nonmetalen heen gaat is een leuke eigenschap, maar daarmee is nog niet gezegd dat het daadwerkelijke bereik door de atmosfeer goed is.

Ik maak een aanname? Welke aanname? Hier nogmaals mijn stukje tekst:

Ik ken er het natuurkundige fijne niet van, maar om nou aan te nemen dat het bereik met THz EM communicatie slechter zou zijn dan met de huidige wifi lijkt met kort door de bocht en tevens nergens op gebaseerd?

Waar staat mijn aanname precies en wat is die aanname volgens jou? Ik vind hem er zelf niet in terug?

Verder: ik zie nog steeds geen overtuigende vergelijking met wifi overigens. Niet in jouw post en ook niet in mijn post. Het blijft allemaal gokken zolang je er geen gedetailleerd model van maakt of experimenten doet.

10 meter zegt niet zoveel, met wifi haal je in de praktijk ook zo'n 10 meter. Afhankelijk van de omgeving en de gebruikte technologie die in massa te produceren moet zijn kan dat (veel) meer of minder dan 10 meter zijn... Het andere stuk dat het over 100 meter heeft schetst hierover ook niet zoveel duidelijkheid.

Daarmee wilde en wil ik maar zeggen: interessante ontwikkeling en zeker een doorbraak, maar laten we als leken niet gaan doen of we al weten wat die technologie voor de mensheid waard is nog voordat die goed en wel het lab uit is.

Ik heb nergens gesteld dat ik denk dat dit beter zal werken dan wifi en ik heb ook nergens gesteld dat ik denk dat dit slechter zal werken dan wifi. Wat ik probeer te stellen is dat het veel te vroeg is om daar iets over te roepen.

[Reactie gewijzigd door GeoBeo op 29 juli 2024 21:59]

[.oisyn]

Ik maak een aanname

Iemand doet een stelling, jij reageert met "hoezo" en komt met een quote die niet helemaal gerelateerd is maar wel het idee geeft dat de eerdere stelling onjuist is. Je moet op z'n minst toegeven dat je woordkeuze dan wat onhandig was

[RedShift]

[...]
Hoezo?
[...]

_Mithrandir bedoelde wellicht het probleem van de huidige frequenties die we gebruiken (MHz'en tot GHz'en), waar hoe hoger de frequentie ligt, hoe moeilijker het door objecten zoals muren penetreert. We ervaren allemaal het kleinere bereik van 5 GHz wifi tegenover 2,4, en met het verderzetten van die wijsheid zou een signaal in het terahertz bereik bijna nergens raken, misschien zelf niet eens door het omhulsel van de zender/ontvanger. Maar zoals het artikel zegt ligt de band gap van de terahertz signalen anders waardoor in dit deel van het spectrum, muren en dergelijke misschien geen probleem vormen.

[GeoBeo]

[...]


_Mithrandir bedoelde wellicht het probleem van de huidige frequenties die we gebruiken (MHz'en tot GHz'en), waar hoe hoger de frequentie ligt, hoe moeilijker het door objecten zoals muren penetreert. We ervaren allemaal het kleinere bereik van 5 GHz wifi tegenover 2,4, en met het verderzetten van die wijsheid zou een signaal in het terahertz bereik bijna nergens raken, misschien zelf niet eens door het omhulsel van de zender/ontvanger. Maar zoals het artikel zegt ligt de band gap van de terahertz signalen anders waardoor in dit deel van het spectrum, muren en dergelijke misschien geen probleem vormen.

Precies. En dus nam hij aannames gebaseerd op wat hij kent en niet gebaseerd op natuurkunde. Of om het nogmaals in Elon Musk woorden te stellen:

I think it is important to reason from first principles rather than by analogy.

The normal way we conduct our lives is we reason by analogy. We are doing this because it is like something else that was done, or it is like what other people are doing. With First Principles, we boil things down to the fundamental truth and reason up from there.

[Aganim]

quote: GeoBeo

En dus nam hij aannames gebaseerd op wat hij kent en niet gebaseerd op natuurkunde.

quote: GeoBeo

Ik ken er het natuurkundige fijne niet van, maar om nou aan te nemen dat het bereik met THz EM communicatie slechter zou zijn dan met de huidige wifi lijkt met kort door de bocht en tevens nergens op gebaseerd?

Pardon, je verwijt iemand van het doen van aannamens, maar je doet vervolgens zelf exact hetzelfde? Interessant leesvoer wellicht: http://wndw.net/pdf/wndw2-en/ch02-physics.pdf.

Zoek even naar 'Longer waves pass around obstacles', daar kom je het volgende tegen:

It is harder to visualize waves moving “through” solid objects, but this is the
case with electromagnetic waves. Longer wavelength (and therefore lower
frequency) waves tend to penetrate objects better than shorter wavelength
(and therefore higher frequency) waves. For example, FM radio (88-
108MHz) can travel through buildings and other obstacles easily, while
shorter waves (such as GSM phones operating at 900MHz or 1800MHz)
have a harder time penetrating buildings. This effect is partly due to the difference
in power levels used for FM radio and GSM, but is also partly due to
the shorter wavelength of GSM signals.

Met andere woorden:

Een lagere frequentie komt wel degelijk makkelijker door objecten heen, mits hetzelfde zendvermogen is gebruikt. Het bereik van een hogere frequentie is dus in theorie best op te schroeven, maar je zal dan een sterkere zender moeten gebruiken.

[bresjt]

Op je telefoon als je in huis rondloopt zul je waarschijnlijk die snelheid niet echt nodig hebben, het lijkt relevanter in bvb een vergaderzaal waar iedereen met een laptop rond een tafel zit en waar iedereen moet beginnen zoeken naar een ethernet kabeltje omdat de wifi snelheid soms te beperkt is.

Als een wifi access punt dan in het midden van de tafel zou staan, zou dat de gebruikservaring van een bekabelde LAN kunnen bieden zonder een wirwar van netwerkkabels.

[84hannes]

In vergaderzalen zie ik ook nog wel kansen voor LiFi, draadloze verbindingen met behulp van licht. Dat is natuurlijk totdat het licht uitgaat voor een presentatie, maar misschien moeten mensen dan hun focus ook maar even verleggen.

[RADRIGUZ]

Misschien is infrarode LiFi een optie?

[ATS]

Het kan toch ook via het licht van de beamer?

[Verwijderd]

Ik denk eerder dat het goed delen van de wifi verbinding op hardware niveau beter zal werken dan een verhoging van de bandbreedte. Wifi tot nu toe is serieel geweest, wat inhoud dat als er een apparaat aan het zenden is ALLE andere apparaten stil moeten zijn. En je kan maar met 1 node(client/server) tegelijk praten.

De oplossing is om apparaten samen laten te laten werken en pakketten bedoeld voor meerdere cliënten samen te versturen. Als ik het me goed herinner heet dit mu-mimo en wordt opgenomen in de 802.11ac wave 2 standaard.

[OddesE]

Ja helemaal waar. Teveel devices is funest momenteel terwijl dat eigenlijk raar is; met zoveel zenders en ontvangers zou het juist beter moeten kunnen werken.

Hopelijk kan mesh networking uitkomst bieden.

[Jhonny44]

Sommige applicaties hebben een groot bereik niet nodig. Zoals inderdaad hierover al is aangegeven zouden vergaderzalen of kantoor ruimtes (zonder tussenmuren) makkelijker verbonden kunnen worden met het internet dan bij elke pc een ethernet kabel te moeten trekken.

Waar ik nog het meest aan moet denken is VR. Op het moment is de kabelboom die aan het hoofd trekt als je beweegt (bijvoorbeeld bij de HTC Vive) een groot probleem. Je voelt de kabel wel degelijk hangen en ook kan je er gemakkelijk over struikelen als er niet iemand naast je staat om de kabel te begeleiden.

Wellicht kan deze hoge bandbreedte, nodig voor de hoge resolute per oog en ook hoge verversingssnelheid van de schermen (DCI 4K op 60 hz is al 18 Gbit/s uncompressed en dan moet de verversingssnelheid nog eens met een gemiddelde factor 1.5+ omhoog, maal twee schermen), daarvoor goed benut worden. Ik weet alleen niet hoe het zit met de latency. Zou deze technology <1 ms latency bieden? Zo ja, dan zou dit voor draadloze VR een perfecte oplossing zijn!

[Reactie gewijzigd door Jhonny44 op 29 juli 2024 21:59]

[OddesE]

Dat VR (nog) niet draadloos kan ligt vooral aan de energie behoefte en de te hoge latency die draadloze technieken hebben. De bandbreedte zou niet veel uit moeten maken. Maar wellicht biedt een Thz oplossing ook een lagere latency? In mijn ervaring is de latency voor een simpele ping naar de router over wifi al snel 3 of 4 ms. En dat is voor VR niet ideaal.

[MSalters]

De latency ligt nauwelijks aan de gebruikte frequencties. Om een idee te geven: 5 Ghz Wifi heeft een golfduur van 0.2 nanoseconden. Die 3-4 ms aan Wifi latency zit 'm vooral in trage chips ('t mag allemaal niets kosten) en error correction (er vallen nogal wat bits om, die moeten allemaal gefixed worden).

[rjkers]

vergeet niet dat WiFi met frames werkt, waardoor je apparaat niet direct toegang heeft tot het medium (anders krijg je pakket collision). Ik kan t nu niet zo vinden, maar meende dat een 802.11 frame een ms lang is waarin een pakket van max +\- 2000 bits in zit.

https://technet.microsoft...ry/cc757419(v=ws.10).aspx

Dan heb je nog dat 0.2 ns niet zo veel zegt over je latency. Hoe groot is het pakket dat je verstuurd en op welke modulatie frequentie / data rate.

[MSalters]

Ethernet werkt ook met Frames. Niet zo gek, beide vallen onder 802.x (Ethernet is 802.3, WiFI is 802.11). Dus zo bijzonder is dat inderdaad niet.

Maar mijn punt was dat OddesE dacht dat latency afhing van de golflengte, en dat is compleet fout.

Overigens: 2000 bits per frame van een milliseconde? Je snapt zelf dat dat niet kan kloppen: dan is je througput max 2 Mbit/seconde, oftewel 250 kbyte/sec. Zo langzaam is WiFi nooit geweest.

[-=bas=-]

Ach, tegen die tijd kunnen we verf met ingebouwde hotspots zo op het plafond smeren zodat je altijd binnen bereik bent. Nano technologie gaat het helemaal worden in 2038.

[cdwave]

"Verf met ingebouwde hotspots": He, eindelijk een applicatie waar IPv6 zijn nut kan laten zien. Die 128-bits adresruimte moet toch een keer vol, laten we alle atomen van het zonnestelsel een nummer geven, dan kun je elke verfdruppel of vergelijkbaar netwerkapparaat adresseren aan de hand van de atomen die er deel van uit maken. Wel zo praktisch.

IoP, here we come. (Internet of Paint)

[RedShift]

Verdacht dat je 2038 zegt, dat is net wanneer de 32 bit unix timestamp zal overflowen... Illuminati confirmed?

[Hemera]

"De frequenties die de onderzoekers stabiel wisten op te wekken, lagen tussen de 0,20 en 0,35THz"
Ze spreken over THz maar dit is in principe toch gewoon 350GHz?
Ik vraag me dan af waarom ze voor deze benaming hebben gekozen.

edit: 35GHz-> 350GHz

[Reactie gewijzigd door Hemera op 29 juli 2024 21:59]

[CivLord]

0,35THz is 350GHz. Je bent een nul vergeten.

Op een logaritmische schaalverdeling, waarop tussen MHz en GHz net zo veel ruimte zit als tussen GHz en THz ligt een waarde van 300GHz/ 0,3THz ongeveer in het midden tussen 1GHz en 1THz. Daarom wordt alles tussen 0,3GHz (oftewel 300MHz) en 300GHz (oftewel 0,3THz) de GigaHerz-band genoemd en alles tussen 0,3THz (oftewel 300GHz) en 300THz (oftewel 0,3PHz) de TeraHerz-band.

[Verwijderd]

0,35THz=350GHz.

[drakiesoft]

Misschien moet men de switch naar THz doen als er minimaal 1 THz gehaald is? Dit is verwarrend. Mijn harde schijf heeft ook geen 0,06 petabyte

[.oisyn]

Maar dan rond je dus altijd naar beneden af. We hebben het hier over de THz band, oftewel een bereik van frequenties. Je zou dus kort door de bocht kunnen stellen dat alles vanaf 0,5THz tot 1,5THz valt in de terahertz-band.

Het punt is alleen, er wordt een logaritmische schaalverdeling gebruikt met grondtal 1000 (zodat je de banden krijgt: Hz, kHz, MHz, GHz, THz, etc). En dan krijg je dus: 0-0.5 is Hz, 0.5-1.5 is kHz, 1.5-2.5 is MHz, 2.5-3.5 is GHz en 3.5-4.5 is THz. En dan ligt de THz frequentieband dus tussen de 1000^3.5 en 1000^4.5 = ~0.316THz - ~316THz

[drakiesoft]

Check ☺

[Aardappel]

Mijn harde schijf heeft ook geen 0,06 petabyte

60 TB?

[Reactie gewijzigd door Aardappel op 29 juli 2024 21:59]

[drakiesoft]

Dat zijn wel hele grote schijven. Oeps, komma 1 plek verkeerd

[Aardappel]

Gaat hard met voorzetsel die je zelden gebruikt (haal zelf altijd yocto, yetta, zepto en zetta door elkaar), maar als je heel nauw gaat kijken scheelt Mm en mm ook een miljardvoud .

[Reactie gewijzigd door Aardappel op 29 juli 2024 21:59]

[Hemera]

Dit lijkt mij ook een logischere keus, ik heb geen verstand van frequenties maar een overeenkomst met andere technieken lijkt me handig voor de "leek"

[xcode35]

Inderdaad. Goed opgemerkt. In hun letter spreken ze ook van "making this type of metallic film a candidate for efficient on-chip terahertz emitters."
Ze hebben de 1THz dus nog niet gehaald, maar denken dat het hiermee mogelijk is.

0,35THz is trouwens gelijk aan 350GHz.

[OddesE]

Hun device is dus een Thz emitter als je de definitie van CivLord aanhoudt.

[Skoucail]

Onder de terahertz-band worden over het algemeen frequenties vanaf 300GHz tot en met 3THz geschaard.

Vandaar dat men ervoor kiest om 0.35THz te gebruiken waarschijnlijk

[Reactie gewijzigd door Skoucail op 29 juli 2024 21:59]

[Verwijderd]

Mijn hemel! Wat moet ik met 100 Gb / s? Dat kan mijn computer niet eens verwerken.

[.oisyn]

Je computer zal daar niet zoveel moeite mee hebben, als die een beetje recent is. Wel zorgen dat je WiFi adapter minimaal 16x PCIe 3.x ondersteunt

[OddesE]

Het zijn gigabits, niet bytes. Met error correctie en andere overhead kun je ongeveer 10 bits per byte rekenen. Dus ongeveer 10GB per seconde. Duurt een BluRay oversturen dus zo'n 5 a 6 seconde. Wen je zo aan!

[ableeker]

Volgens wikipedia (https://en.wikipedia.org/wiki/Terahertz_radiation) zou het bereik beperkt zijn tot zo'n 10 meter:

The study suggested that Wi-Fi using the system would be limited to approximately 10 metres (33 ft), but could allow data transmission at up to 100 Gbit/s.

[Nox]

Dat is alsnog vervelend, een groot deel van de kosten gaat zitten in de backbone en het switching-netwerk. Je zal dan zo'n 5-10 keer zoveel switches nodig hebben en idem zoveel bekabeling moeten trekken. Voor thuis-situaties ook niet fijn, iedere slaapkamer een eigen AP. Of het moet zo zijn dat je op 100 meter nog 10gbps kan halen natuurlijk, maar ik denk dat de signal to noise ratio te laag gaat zijn om dat te halen.