Nya insikter om fononik kan omdefiniera nästa generations kommunikationsenheter

Med internet som har spridit sina vingar över hela världen, kan vissa känna att kommunikationsboomens dagar är över. Vissa kan till och med tro att det inte finns något mer att uppnå inom branschen för kommunikationsenheter, lösningar och tjänster. 

Det är sant att om vi bedömer branschen enbart efter dess uppskattade tillväxtprocent, skulle den verka minimal. Men det beror bara på att basmarknadens storlek, som vi beräknar tillväxten på, är fenomenalt hög. Enligt prognoser kommer den globala marknaden för kommunikationstjänster att växa från US$1,5 biljon till US$1,6 biljon mellan 2024 och 2028. 

Tillväxt i en marknad värd flera biljoner dollar kan endast uppnås genom konsekvent förekommande banbrytande innovationer inom detta område. En sådan lösning utnyttjar fononik för att skapa mindre, kraftfulla kommunikationsenheter. Nedan diskuterar vi den innovationen, som kommer från forskarna vid University of Arizona, Wyant College of Optical Sciences och Sandia National Laboratories. 

Nästa revolution inom trådlös kommunikation med utnyttjande av fononik

Innan vi diskuterar innovationen och dess detaljer i detalj, låt oss försöka förstå fononik, den vetenskapliga gemenskapen definierar fononik som “ett framväxande område som syftar till att förklara naturen av inneboende mekanisk rörelse i både konventionella och artificiellt strukturerade material och använda denna kunskap för att utvidga gränserna för fysisk respons på antingen material- eller strukturell/enhetsnivå eller båda.” 

Även om den grundläggande vetenskapliga definitionen kan låta svår att förstå, gör en analogi med fotonik det enklare. Fotonik utnyttjar fotoner för att driva den optiska teknologins utveckling. På samma sätt utnyttjar fononik fononer, fysiska partiklar som överför mekaniska vibrationer genom ett material med nästan ohörbar hög frekvens. 

I den forskning vi diskuterar kunde forskare blanda högspecialiserade halvledare och piezoelektriska material för att producera enorma icke‑linjära interaktioner mellan fononer. Därefter använde de förstärkare för fononer – gjorda av samma material – för att skapa mer effektiva, kraftfulla och mindre trådlösa enheter, inklusive smartphones och datatransmittorer. 

Enligt studiens seniorförfattare, Matt Eichenfield, som har en gemensam tjänst vid Arizona College of Optical Sciences och Sandia National Laboratories i Albuquerque, New Mexico:

“De flesta skulle förmodligen bli förvånade över att höra att det finns ungefär 30 filter i deras mobiltelefon vars enda uppgift är att omvandla radiovågor till ljudvågor och tillbaka.”

Nu, med de mycket mindre fononiska materialen i bruk, skulle det vara möjligt att minska behovet av dessa många filter, eftersom en stråle av fononer kan ändra frekvensen på en annan stråle. 

Denna prestation är i linje med forskarnas vision att producera alla komponenter som behövs för radiosignalsbehandling från akustiska vågteknologier istället för transistorbaserad elektronik. Resultatet skulle vara att allt monteras på ett enda chip, kompatibelt med hur standardmikroprocessorer tillverkas. 

Närmare förklaring av den påverkan deras innovation kan skapa, sade Eichenfield:

“Nu kan du peka på varje komponent i ett diagram av en radiofrekvens front‑end processor och säga: ‘Ja, jag kan göra alla dessa på ett chip med akustiska vågor. Vi är redo att gå vidare och göra hela grejen i det akustiska området.'”

Att få ett enda chip och ha allt monterat i det kan minska kommunikationsenheter och prylar med en faktor på 100, uppskattar Eichenfield.

En liknande forskning utfördes förra året av ett team av forskare vid University of Michigan, där de utvecklade en ny typ av omkonfigurerbar transistor med en ferroelectric halvledare i nanoskala tjocklek. 

Ferroelectric High Electron Mobility Transistor (FeHEMT) för att krympa kommunikationsenheter på smartphones

Den främsta egenskapen hos FeHEMT som gör den bättre än HEMT:er är att den kan upprätthålla en elektrisk polarisation, liknande den elektriska versionen av magnetism. Genom att lägga till beteendeflexibilitet till transistorn kan dessa halvledare växla mellan de positiva och negativa ändarna. 

Eftersom FeHEMT är omkonfigurerbar kan den fungera som flera enheter. En enda förstärkare kan ersätta flera förstärkare, var och en redo för dynamisk kontroll. Denna egenskap gör det möjligt för forskarna att minska enhetens kretsområde och sänka kostnad och energiförbrukning.

Den övergången från FeHEMT till HEMT involverade djupgående vetenskapliga utforskningar och många prov, tester och experiment. Halvledaren var gjord av aluminiumnitrid med tillsats av skandium. Att bli den första nitratbaserade ferroelectriska halvledaren möjliggjorde sömlös integration med nästa generations halvledare, galliumnitrid. Utgången kunde nå hastigheter upp till 100 gånger snabbare än kisel. Den var inte bara hög hastighet, utan också mycket effektiv och kostnadseffektiv. 

Ping Wang, forskningsvetenskapsman inom elektroteknik och datorteknik samt medförfattare till forskningen, sade:

“Genom att lägga till ferroelectricitet till en HEMT kan vi göra omkopplingen skarpare. Detta kan möjliggöra mycket lägre strömförbrukning utöver hög förstärkning, vilket ger mycket mer effektiva enheter.”

I ett annat exempel på att bygga precis kommunikationshårdvara med transformerande potential, kunde ett team av forskare inom elektroteknik och datorteknik vid University of Michigan bygga den första millimeterskala sändaren och antennen som kunde ‘prata Bluetooth Low Energy med lätthet.‘

Klicka här för att lära dig hur mikrometriska fotovoltaiska celler kan bana vägen för enhetsminiaturisering.

Bygga den första millimeterskala sändaren och antennen

Prof. David Wentzloff ledde teamet och forskningen till att slutligen skapa den första millimeterskala enheten som exakt kan kommunicera med Bluetooth Low Energy. Sändaren och antennen förbrukade endast 606 mikrowatt, eller 0,6 milliwatt tillsammans, under överföringen. Systemet kunde uppnå denna skala genom att göra förstärkaren onödig eller överflödig genom att skapa en unik kombination av oscillatorn och antennen. 

När han förklarade uppfinningens potential sade Prof. Wentzloff: 

“Jag är entusiastisk över de framtida forskningsriktningarna som kommer att öppnas upp genom att avlägsna den trådlösa anslutningsbarriären!”

Denna prestation kommer att skapa nya vägar inom IoT-området och avsevärt förbättra dess antagningsförmåga. 

Uppfinningen var också avgörande för universitetets flaggskeppsinnovation, Michigan Micro Mote (M3), världens första millimeterskala dator. Med en sådan sändare integrerad i M3 kommer kommunikationen med en vanlig smartphone att bli mer effektiv.

När han förklarade dess användbarhet sade Wentzloff: 

“Denna radio lägger till den första standardkompatibla kommunikationen till M3-stacken. Detta möjliggör att vi kan distribuera M3-enheter snabbare och enklare få sensordata till molnet genom att ansluta direkt till en smartphone.”

Sådan lysande forskning kommer att revolutionera kommunikationsstandarderna för nästa generation. Globala företag investerar i forskning och resurser för att göra kommunikationsenheter redo för framtiden. Dessa företag kan dra enorm nytta av dessa studier och experiment. I avsnitten nedan diskuterar vi ett par sådana företag. 

#1. Nokia

Nokia har en omfattande portfölj av kommunikationsenheter. När det gäller enastående rymdoptimering är en produktserie som sticker ut AirScale Small Cells. 

Nokia har branschens mest omfattande small‑cell‑portfölj, med radioapparater optimerade för att stödja mobilnätsoperatörer och företag i alla deploymentscenarier. Även kända som AirScale Shikra Radios, dessa finns i form av millimetervågsradio och pico‑radio för inomhuslösningar.  

Shikra‑radiorna är små och enkla att installera, antingen fristående eller i kombination, med deras small‑cell‑optimerade basbandsenheter som hjälper till att påskynda nätverksutbyggnaden. På grund av deras kompakta natur är mmWave‑radiorna redo för deployment på en mängd olika platser, inklusive täta stadsmiljöer, köpcentrum, sportarenor och andra stora offentliga arenor där extrem kapacitet är ett nyckelkrav. 

Pico‑radiorna är en inomhuslösning som tillgodoser en rad företagsanvändningsfall, stödjer flera radioåtkomstteknologier och flexibla nätverkskonfigurationer. Nokia har också all‑in‑one‑small‑cell‑lösningar som inte kräver en separat basbandsenhet och möjliggör enkel plug‑and‑play‑installation och deploymentsflexibilitet både inomhus och utomhus. 

För räkenskapsåret 2023, Nokia rapporterade en årsomsättning på 22,258 miljarder EUR, en betydande nedgång från föregående räkenskapsårs 24,91 miljarder EUR. Rörelseresultatet minskade också till 2,375 miljarder EUR från 3,109 miljarder EUR mellan FY 23 och FY 22. 

#2. Motorola Solutions

Motorola har varit en banbrytande föregångare i att introducera futuristiska, sofistikerade och banbrytande kommunikationsenheter till världen. En enhet som särskilt kan dra nytta av denna forskning och driva gränsen längre är Motorolas TLK 25 bärbara kommunikationsenhet. Den väger endast 73 gram och mäter 3,2 × 1,9 × 0,7. 

I sin kärna är TLK 25 en bärbar WAVE PTX‑enhet som går bortom en walkie‑talkies push‑to‑talk‑funktioner. Dessa enheter är kompakta, robusta och utrustade med en intuitiv röstassistent. Enheten har Wi‑Fi‑anslutning och använder även nationell LTE när Wi‑Fi inte är tillgängligt. Dess intuitiva röstassistent möjliggör hands‑free‑åtkomst till kommunikation, enhetsinställningar, säkerhetsfunktioner, statusar, aviseringar och larm.

TLK 25‑serien från Motorola lever på sin kompaktitet och kortfattade funktioner. Dessa enheter skulle ha stor nytta av forskning och sändningslösningar som gör dem mer slanka och effektiva. 

Under fjärde kvartalet 2023, Motorola Solutions rapporterade nettoförsäljning på 2,85 miljarder US$, medan den totala årsomsättningen för 2023 var nästan 10 miljarder US$. Rörelseresultatet för år 2023 ökade till 2,784 miljarder US$ från 2,368 miljarder US$ år 2022. 

Kommunikationsenheternas roll i vår moderna värld

Det skulle vara svårt för mänsklig civilisation att överleva utan sina metoder och verktyg för effektiv kommunikation som fungerar korrekt. Kommunikationsenheter för nästa generation måste utveckla många egenskaper för att vara mer redo för framtida antagande.

Dessa enheter, till exempel, måste vara redo att tåla de hårdaste förhållandena. De måste vara tillräckligt effektiva för att rymma varje innovation som hittills uppnåtts inom detta område, särskilt när det gäller att hantera röst, video och dataflöden samtidigt.

Samtidigt som de levererar alla dessa tjänster får dessa enheter inte kompromissa sin integritet. Med sofistikerade säkerhetssystem som utnyttjar ansvarsfullt byggd AI‑analys är detta inte längre en utmaning. 

Dock får inte alla dessa egenskaper och funktioner leda till något som tar upp mycket plats, blir snabbt varmt eller är dyrt att tillverka. 

Nästa generations kommunikationsenheter kommer att utvecklas med dessa aspekter i åtanke. Redan har nya teknologiparadigm dykt upp som kan påskynda denna utveckling. Till exempel talas det redan mycket om teknologier som Visible Light Communication (VLC)/Li‑Fi, där dataöverföring sker via ljus snarare än radiovågor med hög hastighet genom små justeringar av intensiteten. 

Dessa lösningar erbjuder mycket hög hastighet, som överstiger bandbreddskapaciteten hos konventionell kommunikation. Eftersom de går bortom det traditionella läget kan förbättrade säkerhets- och tillförlitlighetsstandarder uppnås. Forskare tror att sådana lösningar skulle vara perfekta för militären.

Förutom hårdvara för dataöverföring har stora framsteg gjorts inom sensorteknologier. Dessa teknologier skulle hjälpa till att uppdatera den befintliga IoT‑ och automationsstödinfrastrukturen. 

Enligt data presenterade av ASSIA Inc. har ökningen av PC-/telefonuppladdningstrafik sedan början av mars 2024 varit så hög som 80 % enbart i USA. Världen har blivit mycket mer virtuell än den var före COVID‑19‑pandemin. Webbkameror, PC‑ar och bärbara datorer kör videoströmmar hela tiden. Leverans av hälsotjänster, utbildning och andra nödtjänster har blivit mycket mer virtuell. Att hantera dessa situationer skulle kräva mycket mer rymdoptimerade och effektiva enheter. De måste också vara 5G‑klara. 

Organisationer och företag måste fortsätta investera resurser och forskning i att göra nästa generations kommunikation mer effektiv och kostnadseffektiv.

Klicka här för att lära dig hur avancerad fotonik kan hjälpa till att bygga en bättre smartphone.