В Японии создали систему беспроводной связи нового поколения для сетей 6G
Японские исследователи совершили значительный прорыв в гонке за создание беспроводных сетей 6G, разработав новую систему терагерцовой (ТГц) беспроводной связи на основе оптической микрогребёнки. Эта система позволяет достичь скорости передачи данных до 112 гигабит в секунду (Гбит/с) в диапазоне 560 ГГц. Разработанная технология преодолевает ограничения по мощности и уровню шумов, присущие традиционной электронике за пределами 350 ГГц, и закладывает основу для будущих сетей 6G и сверхскоростной мобильной магистральной связи.
Как отметил профессор Такэси Ясуи из Университета Токусимы, этот результат представляет собой крупный шаг на пути к практическим беспроводным системам 6G. Инженеры долгое время пытались создать следующее поколение сверхбыстрых беспроводных сетей, но сталкивались с серьёзным препятствием: для достижения высоких скоростей, обещанных 6G, данные должны передаваться на сверхвысоких терагерцовых частотах, где обычная электроника теряет мощность и страдает от фазового шума, который можно сравнить с ослепляющей снежной бурей в цифровом мире.
Благодаря интеграции передовой фотоники и высокоуровневой модуляции данных команде удалось достичь исторического рубежа: впервые в мире была осуществлена беспроводная передача данных класса 100 Гбит/с за пределами 420 ГГц. Исследователи передали данные со скоростью 112 Гбит/с на несущей частоте 560 ГГц. Этой скорости достаточно, чтобы за мгновение загрузить несколько 4K-фильмов, что намного превосходит возможности современных экспериментальных систем, которые на таких экстремальных частотах с трудом выдают несколько гигабит. Вместо стандартных электронных схем учёные использовали свет.
Ключевым элементом разработки стало крошечное устройство, называемое оптической микрогребёнкой. Эти микрогребёнки действуют как высокотехнологичные оптические линейки, генерируя серию идеально расположенных, сверхстабильных и чётких линий лазерного излучения. Благодаря исключительной стабильности этих оптических линий микрогребёнки обладают чрезвычайно низким фазовым шумом, что делает их идеальной основой для создания чистых терагерцовых сигналов.
Чтобы сделать эту технологию пригодной для реального применения, исследователям пришлось решить серьёзную аппаратную проблему — проблему оптического выравнивания. Обычно для направления лазеров в микроскопические чипы требуются мучительно точные и хрупкие системы юстировки, где малейшая вибрация может нарушить соединение. Команда из Университета Токусимы решила эту задачу, навсегда прикрепив оптическое волокно непосредственно к нитрид-кремниевому микрорезонатору с помощью технологии прямого соединения.
Этот метод прямого соединения позволил добиться сразу трёх важных результатов: экстремальной миниатюризации, заменив громоздкую лабораторную установку компактным устройством; повышения мощности за счёт высокоэнергетической оптической накачки без дрейфа выравнивания; а также защиты от внешних воздействий благодаря встроенной системе контроля температуры, которая защищает чип от колебаний окружающей среды. Исследователи особо отметили, что интеграция функции контроля температуры для микрорезонатора улучшает воспроизводимость характеристик оптического резонанса и повышает устойчивость к колебаниям температуры окружающей среды.
Для непосредственной передачи данных команда выделила два высокостабильных оптических несущих сигнала из микрогребёнки и закодировала эти световые сигналы с использованием передовых форматов модуляции — QPSK и 16QAM, которые позволяют упаковывать больше данных в каждую отдельную волну. Результаты говорят сами за себя: система обеспечивает скорость передачи данных 84 Гбит/с с модуляцией QPSK и 112 Гбит/с с модуляцией 16QAM.
Хотя в ближайшее время смартфоны не смогут работать на частотах 560 ГГц, эта технология является огромным достижением для скрытой инфраструктуры, поддерживающей работу интернета. Она идеально подходит для мобильной магистральной связи — мощных беспроводных каналов, которые соединяют сотовые вышки с основной интернет-магистралью. Вместо того чтобы вскрывать улицы для прокладки километров дорогих оптоволоконных кабелей, телекоммуникационные компании смогут использовать терагерцовые лучи на основе микрогребёнок для передачи огромных объёмов данных, сравнимых с волоконными, через воздух от вышки к вышке. В ближайших планах команды — ещё сильнее подавить фазовый шум, чтобы выжать ещё больше данных из волн, а также разработать усовершенствованные антенны для увеличения выходной мощности, что позволит достичь рекордных скоростей на гораздо больших расстояниях.
Исследование в журнале Nature Photonics.