Clear Sky Science
הסברים מבוססי ראיות, עם מעט ז'רגון

Clear Sky Science · he

מעבר ל-350 GHz: שידור פוטוני חד-ערוצי במהירות 112 Gbps בתדר 560 GHz באמצעות סוליטון מיקרו-קומבים

· חזרה לאינדקס

מדוע טלפונים עתידיים זקוקים לגלים בלתי-נראים חדשים

הטלפונים והמכשירים האלחוטיים שלנו צמאים לנתונים, אבל גלי האוויר שבהם הם משתמשים מתמלאים. מחקר זה בוחן אזור חדש של הספקטרום, הרבה מעל תחומי הניידים של היום, כדי לבדוק האם שבבים זעירים מבוססי אור יכולים לשדר תעבורת אינטרנט באוויר במהירות המספיקה כדי להחליף חלק מהכבלים הסיביים. העבודה מראה שהמנועים הפוטוניים הקטנים האלה יכולים לדחוף קישורים אלחוטיים לאזור טרהרץ שאינו מנוצל הרבה, ובכל זאת לשאת מעל 100 מיליארד סיביות לשנייה.

Figure 1. שבב מיקרוסקופי מבוסס אור הופך את תדרי האוויר הצפופים לגשר אלחוטי מהיר וברור בתדרים גבוהים.
Figure 1. שבב מיקרוסקופי מבוסס אור הופך את תדרי האוויר הצפופים לגשר אלחוטי מהיר וברור בתדרים גבוהים.

צעד מעבר לגלי האוויר הצפופים של היום

רשתות 5G הנוכחיות פועלות בעיקר מתחת ל-28 גיגאהרץ, אזורים שבהם התדרים עמוסים והערוצים הרדיו יחסית צרים. כדי לעמוד בדרישות מערכות 6G עתידיות, החוקרים פונים לאזור הטרהרץ, בין כ-0.3 ל-1 טריליון מחזורים לשנייה. טווח זה מציע חתיכות רחבות ונקיות של ספקטרום שיכולות לתמוך בקישורי backhaul מהירים מאוד בין תחנות בסיס. עם זאת, ככל שהתדר גבוה יותר, האותות נחלשים באוויר ביתר עוצמה, ואלקטרוניקה קונבנציונלית מתקשה לייצר גלים יציבים ובעלי רעש נמוך הרבה מעל 300 גיגאהרץ. לכן האזור מעל 350 גיגאהרץ נשאר ברובו בלתי מנוצל לקישורים מהירים, למרות שהוא עדיין אינו מוקצה לשירותים רבים.

שימוש באור ליצירת גלי רדיו מהירים במיוחד

כדי לקפוץ לטווח הגבוה הזה, הצוות פונה לפוטוניקה, משתמש באור במקום באלקטרוניקה טהורה כדי ליצור את האות הרדיו. בלב המערכת שלהם נמצא שבב סיליקון ניטריד שמייצר "מסרק" של צבעי לייזר מרווחים באופן שווה, כולם נעולים בפאזה זה לזה. קומב זה מיוצר על ידי דפוס מיוחד של פעימות אור הנקרא סוליטון שמסתובב סביב טבעת זעירה על השבב. שתי דיאודות לייזר רגילות מוכתבות או ננעלות על שני צבעים סמוכים מהקומב. כאשר שתי הלייזרים הננעלים מאירים יחד על פוטודיאודה מהירה במיוחד, ההפרש הקל בצבע ביניהם מתערבב ויוצר גל טרהרץ יציב בתדר 560 גיגאהרץ, שניתן להשתמש בו כנשא לנתונים.

אריזת מקור האור הזעיר לשימוש מעשי

מכשול מעשי מרכזי עם שבבי קומב כאלה היה הכנסת והוצאת האור בלי ספסלי אופטיקה מגושמים שסטיותיהם משבשות את המערכת. החוקרים פתרו זאת על ידי הדבקת סיבים אופטים ישירות לשבב באמצעות סיב קצר בעל מפתח מספרי גבוה ודבק מתקשה UV על משטח זכוכית. החבילה הקומפקטית הזו היא רק כמה מימרים ברוחב אך יכולה לעמוד בעוצמות משאבות של וואט ומחזיקה את יעילות הקCoupling כמעט קבועה במשך שעות רבות. במבחנים, העיצוב החדש עם חיבור סיב שמר על קומב הסוליטון פועל למעלה מיממה, בעוד שסידור עדשת מרחב חופשי מסורתי איבד יישור בתוך דקות בתנאים דומים. היציבות לטווח הארוך זו חיונית אם קומבים כאלה אמורים לשבת בתוך רדיו טרהרץ מעשי.

Figure 2. שתי צבעי לייזר משתלבים במיקרו-שבב כדי ליצור קרן טרהרץ שנושאת נתונים מפורטים בין אנטנות קרובות.
Figure 2. שתי צבעי לייזר משתלבים במיקרו-שבב כדי ליצור קרן טרהרץ שנושאת נתונים מפורטים בין אנטנות קרובות.

שידור וקליטת זרמי נתונים מהירים מאוד

לאחר שנוצר הגל היציב בתדר 560 גיגאהרץ, אחד הלייזרים הננעלים מובל דרך מודולטור מתקדם שמטביע נתונים על ידי התאמת גם העוצמה וגם פאזה של האור. הצוות משתמש בשתי תבניות נפוצות: שינוי פאזה ברביעות (QPSK) ומודולציית אמפליטודה ברבעה-עשר-רמות (16-QAM), שמובילות בהתאמה לשתי וארבע סיביות לסמל. הלייזר הננעל השני נשאר ללא מודולציה. שתי זרמי האור משולבים ומומררים לאות טרהרץ בפוטודיאודה מהירה, ואז משוגרים דרך מרווח מרחב חופשי של עשרה מילימטר. בצד השני, מיקסר מיוחד ואלקטרוניקה מהירה מתרגמים את גלי הטרהרץ הנכנסים חזרה לתדר נמוך יותר שניתן להקליט ולנתח בלי שום עיבוד דיגיטלי נוסף מעבר למה שבמבנה האוסצילוסקופ.

כמה מידע נכנס לקישור החדש

כדי להעריך עד כמה המערכת עובדת טוב, המחברים בוחנים את דפוסי הסמלים שהתקבלו ומחשבים כמה הם סוטים מהמיקומים האידיאליים שלהם, מדד הידוע כ-error vector magnitude. אם ערך זה נשאר מתחת למגבלות מסוימות, קודי תיקון שגיאות רגילים יכולים לנקות את הטעויות שנותרו. באמצעות הפורמט הפשוט יותר מבוסס הפאזה, הם משדרים בקצבי סמל עד 42 גיגאבוד, ומשיגים 84 גיגביט לשנייה. עם הפורמט התובעני יותר של 16 רמות הם מגיעים ל-28 גיגאבוד, המתאים ל-112 גיגביט לשנייה על ערוץ אלחוטי יחיד בתדר 560 גיגאהרץ, הכל במסגרת מגבלות השגיאה המחמירות. הם גם משווים תפעול עם ובלא הרפרנס של הקומב ומגלים שהנעילה לקומב מצרה את קווי הנשא ומפחיתה רעש פאזה, ומשפרת במיוחד את הביצועים בקצבי סמל בינוניים.

מה זה אומר עבור קישורים אלחוטיים עתידיים

למשתמשים היומיומיים, המסר המרכזי הוא ששבבים פוטוניים יכולים לסייע לפתוח אזורים חדשים ושקטים בספקטרום עבור קישורים אלחוטיים מהירים מאוד שעשויים יום אחד לקשר תחנות בסיס ולהחליף קטעים קצרים של סיב. הניסוי הזה מראה שמקור קומב קומפקטי, ארוז בסיב, יכול לספק בצורה יציבה משדר טרהרץ מעבר ל-350 גיגאהרץ ועדיין לשאת מעל 100 גיגביט לשנייה. בעוד שהלחם הספציפי של 560 גיגאהרץ הנמצא כאן סופג רבות באוויר לח וזה מתאים יותר לקישורים מאוד קצרים, הגישה עצמה ניתנת להזזה לתדרים סמוכים שבהם האותות עוברים מרחק רב יותר. עם משדרי טרהרץ חזקים יותר ואנטנות בעלות רווח גבוה יותר, המחברים מעריכים שמערכות דומות עשויות בסופו של דבר לתמוך בקישורים של כמה מאות גיגאביט דרך מרחקים של מטרים רבים, ולהוות אבני בניין לתשתית 6G עתידית.

ציטוט: Tokizane, Y., Kishikawa, H., Kikuhara, T. et al. Beyond 350 GHz: Single-channel 112 Gbps photonic wireless transmission at 560 GHz using soliton microcombs. Commun Eng 5, 77 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00659-8

מילות מפתח: תקשורת טרהרץ אלחוטית, מיקרו-קומב סוליטוני, משדר פוטוני, חיבור backhaul ל-6G, קישור במהירות גבוהה