112 Гбит/с на терагерцах: японский прорыв приближает эру 6G

Учёные из Японии обнаружили способ передавать данные со скоростью 112 гигабит в секунду (Гбит/с) в определённом диапазоне спектра, который жизненно важен для построения сетей 6G следующего поколения.

Чтобы достичь этого прорыва, исследователи разработали новую терагерцовую систему беспроводной связи, управляемую микрогребёнками (microcombs) — специальными фотонными устройствами, размещёнными на микрочипах, которые генерируют оптические частоты для беспроводных сетей. В сочетании с методами высокопорядковой модуляции (передовыми способами увеличения скорости передачи данных в ограниченной полосе пропускания) команда достигла впечатляющих скоростей беспроводной связи в диапазоне 560 ГГц.

Достижение таких скоростей — впервые на частоте выше 420 ГГц — показало, как эта система может преодолеть ограничения по мощности сигнала и шуму, которые преследуют обычную электронику на этих сверхвысоких частотах, ограничивая её гораздо меньшими скоростями. Исследователи опубликовали свои результаты 16 мая в журнале Communications Engineering.

«Этот результат представляет собой важный шаг на пути к практическим беспроводным системам 6G и сверхскоростной мобильной транспортной сети», — заявил в пресс-релизе Такэси Ясуи, профессор Института пост-LED-фотоники Университета Токусимы и соавтор исследования.

Да будет свет

Хотя скорости 5G заметно высоки (средняя скорость в США составляет около 300 мегабит в секунду), работы по созданию и развёртыванию сетей 6G по всему миру уже ведутся. В будущем учёные предсказывают достижение теоретического максимума в 1 терабит в секунду — что более чем в 3000 раз быстрее средней скорости современных 5G и в 50 раз быстрее теоретического предела 5G.

Ожидается, что коммерческие сети 6G появятся к 2030 году или позже, но для их построения предстоит ещё много работы. Чтобы в конечном итоге обеспечить работу 6G, необходима высокоскоростная транспортная беспроводная сеть, использующая сверхвысокочастотные терагерцовые волны. Они находятся в диапазоне выше 350 ГГц. Ниже этой частоты электронный спектр уже перегружен сигналами 5G, и ему не хватает полосы пропускания для передачи больших объёмов данных на скоростях следующего поколения.

Когда обычную электронику пытаются заставить работать в терагерцовом диапазоне, её электронные сигналы страдают от недостатка мощности или «фазового шума» (колебаний сигнала), из-за чего трудно отделить желаемые сигналы от нежелательных. Это приводит к ограничениям стабильности сигнала и объёма данных, который могут нести электронные сигналы на частотах выше 350 ГГц.

Поэтому фотоника (использование света для передачи данных) рассматривается как способ проложить путь к сетям 6G. Однако обычные фотонные системы требуют громоздких лазерных систем, нуждающихся в точной оптической юстировке для хорошей работы, и они всё ещё страдают от фазового шума.

Чтобы решить эти проблемы, учёные исследуют оптические микрогребёнки как способ генерации серии точных световых линий. Их оптическая стабильность минимизирует фазовый шум. Однако и они нуждаются в точной оптической юстировке; в реальном развёртывании сети вибрации могут нарушить такую юстировку и, следовательно, помешать установленным соединениям.

Создание связей

Прорыв заключается в прямом соединении (скреплении) оптического волокна с нитрид-кремниевым микрорезонатором — фотонной структурой микрогребёнки, используемой для преобразования лазерного света в миллионы точных лазерных линий. Объединение волоконной оптики с микрогребёнками обходит проблему точной оптической юстировки, тогда как в более обычных фотонных системах лазерный свет необходимо тщательно выравнивать по нескольким осям и ступеням с помощью оптических микроскопов, чтобы направить его в микрочипы.

Чтобы передавать данные с помощью системы микрогребёнок, исследователи сгенерировали два оптических несущих сигнала (с высокой стабильностью и высоким отношением сигнал/шум) путём инжекционной синхронизации микрогребёнки с лазерами. Они закодировали данные в эти сигналы, используя форматы высокопорядковой модуляции QPSK и 16QAM (способ сжать как можно больше данных в одну волну). Затем они преобразовали оптические сигналы в терагерцовую волну 560 ГГц с помощью техники фотомешивания и передали их на приёмник.

В экспериментах они достигли скорости 84 Гбит/с с QPSK и 112 Гбит/с с 16QAM. Результаты означают, что команда создала компактный и стабильный терагерцовый источник сигнала, способный передавать данные со скоростью более 100 Гбит/с через передатчик диаметром всего 5 мм. Для сравнения, обычная система с микрогребёнкой имеет размер 450 мм.

Они также интегрировали функцию контроля температуры в микрорезонатор, чтобы он мог выдерживать колебания температуры и, следовательно, более надёжно воспроизводить требуемые характеристики оптического резонанса.

Почему эта новость — не просто очередной лабораторный рекорд? Потому что она решает одну из главных инженерных проблем на пути к 6G: как генерировать стабильный и мощный терагерцовый сигнал без гигантских лазерных столов, которые боятся вибраций. Японские учёные сделали то, что раньше казалось почти невозможным: они соединили оптическое волокно напрямую с микрочипом, буквально «склеив» их (именно так работает технология прямого бондинга). Это устранило необходимость в сложной юстировке, которая делала лабораторные системы непригодными для реальных вышек сотовой связи, трясущихся от ветра и машин.

Представьте себе город будущего. Под асфальтом не нужно прокладывать тонны оптоволоконных кабелей — это медленно, дорого и почти невозможно в исторических центрах. Вместо этого на крышах зданий стоят небольшие (всего 5 мм в поперечнике!) терагерцовые передатчики, которые обеспечивают скорость, сравнимую с лучшим оптоволокном, но без земляных работ. Это и есть «транспортная сеть» (backhaul), о которой говорят авторы. И их система — первый реальный кандидат на роль такого компактного, стабильного и мощного источника.

Конечно, до коммерческого 6G ещё далеко. Исследователям предстоит бороться с остаточным фазовым шумом и увеличивать выходную мощность. Но сейчас важен сам принцип: доказано, что можно обойти «кирпичную стену» 350 ГГц, где обычная электроника задыхается. Следующее десятилетие будет посвящено инженерной доводке: созданию надёжных, дешёвых и массово производимых микрочипов на основе нитрида кремния, которые будут в каждом смартфоне и на каждой вышке.

И, возможно, лет через десять, скачивая голографический фильм за секунду, мы даже не вспомним, что когда-то проблема фазового шума на частотах выше 350 ГГц казалась непреодолимой. А начиналось всё с маленького чипа размером в 5 миллиметров, который японские учёные приклеили к оптоволокну.