Cercetătorii au construit un sistem de comunicații wireless terahertz miniaturizat, acționat de microcombi, care este de 90 de ori mai mic decât cipurile convenționale, pentru a oferi viteze record de transfer de date la frecvențe ultra-înalte.
Oamenii de știință din Japonia au descoperit o modalitate de a transmite date la o viteză de 112 gigabiți pe secundă (Gbps) într-o bandă de spectru specifică, vitală pentru construirea rețelelor wireless 6G de generație următoare.
Pentru a realiza această descoperire, cercetătorii au dezvoltat un nou tip de sistem de comunicații wireless de terahertz, acționat de microcombi – dispozitive fotonice speciale montate pe microcipuri care generează frecvențe optice pentru rețele wireless.
Atunci când sunt utilizate împreună cu tehnici de modulație de ordin superior – modalități avansate de a permite rate de transfer de date mai mari în lățime de bandă limitată – echipa a obținut aceste viteze de comunicații wireless fulgerătoare în banda de spectru de 560 gigahertz.
Atingerea unor astfel de viteze – la o frecvență de peste 420 GHz pentru prima dată – a arătat cum acest sistem poate depăși limitările puterii semnalului și ale zgomotului care afectează electronica convențională la aceste frecvențe ultra-înalte, limitându-le astfel la rate de date mult mai mici.
Cercetătorii și-au prezentat descoperirile pe 16 mai în revista Communications Engineering.
„Acest rezultat reprezintă un pas major către sisteme wireless 6G practice și backhaul mobil de mare viteză”, a declarat Takeshi Yasui, profesor la Institutul de Fotonică Post-LED al Universității Tokushima și coautor al studiului.
Să fie lumină!
Deși vitezele wireless 5G sunt remarcabil de rapide, cu viteze medii de aproximativ 300 megabiți pe secundă (Mbps) în SUA, deja se lucrează la proiectarea și implementarea rețelelor 6G în întreaga lume.
În viitor, oamenii de știință prevăd că vitezele vor atinge un maxim teoretic de 1 terabit pe secundă – de peste 3.000 de ori mai rapid decât vitezele medii 5G actuale și de 50 de ori mai rapid decât limita teoretică a 5G.
Rețelele comerciale 6G sunt așteptate să fie lansate până în 2030 sau ulterior, dar sunt necesare încă eforturi semnificative pentru a construi aceste rețele.
Dar, pentru a susține în cele din urmă livrarea 6G, este necesară o rețea wireless rapidă care să exploateze undele terahertz de super-înaltă frecvență.
Acestea se află în banda de spectru care depășește 350 GHz. Sub această frecvență, spectrul electronic este deja congestionat cu semnale 5G și nu are frecvența necesară pentru a livra cantități mari de date la viteze de generație următoare.
Când electronica convențională este utilizată pentru a extinde spectrul terahertz, semnalele lor electronice sunt afectate de lipsa de putere sau de „zgomotul de fază” – în esență, fluctuațiile unui semnal – ceea ce face dificilă separarea semnalelor dorite de cele nedorite.
Acest lucru duce la limitări în ceea ce privește stabilitatea semnalului și cantitatea de date pe care semnalele electronice o pot transporta la frecvențe peste 350 GHz.
Fotonica — utilizarea luminii pentru transportul datelor — este, prin urmare, văzută ca o modalitate de a deschide calea către rețelele 6G.
Însă sistemele fotonice convenționale au necesitat sisteme laser voluminoase care necesită o aliniere optică precisă pentru a funcționa bine și sunt încă împiedicate de zgomotul de fază.
Pentru a aborda aceste provocări, oamenii de știință explorează microcombi optici ca o modalitate de a genera o serie de linii precise de lumină.
Stabilitatea lor optică minimizează zgomotul de fază. Cu toate acestea, au nevoie de o aliniere optică precisă; într-o implementare de rețea în lumea reală, vibrațiile ar putea perturba astfel de alinieri și, prin urmare, ar putea interfera cu conexiunile stabilite.
În noul studiu, cercetătorii au remarcat că acești microcombi nu „au realizat simultan o generare stabilă de semnal și o modulație de ordin înalt pentru transmisia de date de mare viteză”.
Construirea legăturilor
Descoperirea vine prin conectarea directă a unei fibre optice la un microrezonator din nitrură de siliciu – o structură fotonică microcomb utilizată pentru a converti lumina laser în milioane de linii laser precise.
Combinarea fibrei optice cu microcombi ocolește provocarea unei alinieri optice precise, în timp ce în sistemele fotonice mai convenționale, lumina laser trebuie aliniată cu atenție pe mai multe axe și etape prin utilizarea microscoapelor optice, astfel încât să poată fi direcționată către microcipuri.
Pentru a trimite date folosind sistemul micropieptene, cercetătorii au generat două purtătoare de semnal optic – cu stabilitate ridicată și un raport semnal-zgomot ridicat – prin injectarea și blocarea microcombului cu lasere.
Au codificat datele în aceste semnale folosind formatele de modulație de ordin înalt QPSK și 16QAM – în esență, o modalitate de a comprima cât mai multe date posibil într-o singură transmisie de undă.
Apoi, au convertit semnalele optice în undă terahertz de 560 Ghz printr-o tehnică numită fotomixare, înainte de a le transmite către un receptor.
În cadrul experimentelor, au atins viteze de 84 Gbps cu QPSK și 112 Gbps cu 16QAM.
Rezultatele înseamnă că cercetătorii din echipă au creat o sursă de semnal terahertz compactă și stabilă, capabilă de viteze de transmisie a datelor care depășesc 100 Gbps prin intermediul unui emițător cu diametrul de doar 0,2 inci (5 milimetri).
Pentru comparație, un sistem microcomb convențional are 17,7 inci (450 mm).
De asemenea, au integrat o funcție de control al temperaturii în microrezonator, astfel încât acesta să poată rezista la fluctuațiile de temperatură, reproducând astfel mai fiabil caracteristicile de rezonanță optică necesare.
Cercetătorii intenționează să găsească modalități de a reduce și mai mult zgomotul de fază și de a crește puterea de ieșire a sistemelor lor pentru a oferi viteze de transfer de date și mai mari.
Dar studiul deschide o cale de a crea o bază tehnologică pentru o rețea wireless de ultra-mare viteză.
O astfel de rețea ar putea ocoli necesitatea cablării subterane cu fibră optică ca coloană vertebrală pentru rețelele de mare viteză și ar putea deschide calea către implementări practice 6G.
Lasă un răspuns