Voorbij 350 GHz: Enkele-kanaals 112 Gbps fotonische draadloze transmissie op 560 GHz met behulp van soliton-microcombs

Waarom toekomstige telefoons nieuwe onzichtbare golven nodig hebben

Onze telefoons en draadloze apparaten hebben honger naar data, maar de radiobanden die ze gebruiken raken steeds drukker. Deze studie onderzoekt een nieuw deel van het spectrum, ver boven de huidige mobiele banden, om te zien of piepkleine, lichtgedreven chips internetverkeer snel genoeg door de lucht kunnen sturen om sommige glasvezelkabels te vervangen. Het werk toont aan dat deze kleine fotonische motoren draadloze verbindingen kunnen duwen naar een weinig gebruikt gebied van terahertzgolven terwijl ze nog steeds meer dan 100 miljard bits per seconde kunnen dragen.

Voorbij de drukke radiobanden van vandaag

Huidige 5G-netwerken werken grotendeels onder de 28 gigahertz, waar frequenties druk zijn en radiokanalen relatief smal. Om te voldoen aan de eisen van toekomstige 6G-systemen kijken onderzoekers naar de terahertzband, tussen ongeveer 0,3 en 1 biljoen cycli per seconde. Dit bereik biedt brede, schone spectrumsegmenten die extreem snelle backhaul-verbindingen tussen basisstations zouden kunnen ondersteunen. Hoe hoger de frequentie, hoe sneller signalen in de lucht verzwakken, en conventionele elektronica heeft moeite om stabiele, ruisarme golven veel boven de 300 gigahertz te genereren. Het gebied boven 350 gigahertz is daarom grotendeels onaangeroerd gebleven voor hogesnelheidsverbindingen, ook al is het nog niet toegewezen aan veel diensten.

Met licht ultra-snelle radiogolven maken

Om naar dit hogere bereik te springen, wendt het team zich tot fotonica en gebruikt het licht in plaats van pure elektronica om het radiosignaal te creëren. In het hart van hun opstelling bevindt zich een silicium-nitride chip die een “kam” van vele gelijkmatig verdeelde laserkleuren produceert, allemaal onderling gefaseerd. Deze comb wordt gegenereerd door een speciaal patroon van lichtpulsen, een soliton, die rond een tiny ring op de chip circuleert. Twee gewone laserdiodes worden geforceerd om twee aangrenzende kleuren van de comb te volgen, of erop te vergrendelen. Wanneer deze twee vergrendelde lasers samen op een zeer snelle fotodiode schijnen, interfereert hun kleine kleurverschil en produceert het een stabiele terahertzgolf op 560 gigahertz, die vervolgens als draaggolf voor data kan dienen.

De kleine lichtbron verpakken voor praktisch gebruik

Een belangrijke praktische uitdaging met zulke comb-chips was het in- en uitkoppelen van licht zonder omvangrijke optische bakken die uitlijning verliezen. De onderzoekers losten dit op door optische vezels direct aan de chip te hechten met een korte vezel met hoge numerieke apertuur en een UV-uithardende lijm op een glazen steun. Deze compacte behuizing is slechts een paar millimeter groot maar kan pompkrachten van een watt weerstaan en houdt zijn koppelingsefficiëntie bijna constant gedurende vele uren. In tests hield het nieuwe vezel-aangesloten ontwerp de soliton-comb meer dan een dag draaiende, terwijl een traditionele vrij-ruimte lensopstelling onder vergelijkbare omstandigheden binnen enkele minuten uitlijning verloor. Deze langetermijnstabiliteit is essentieel als dergelijke combs in praktische terahertzradio’s moeten worden geplaatst.

Het zenden en ontvangen van ultrasnelle datastromen

Zodra de stabiele 560 gigahertzgolf is gemaakt, wordt één van de aan de comb vergrendelde lasers geleid door een geavanceerde modulator die data afbeeldt door zowel de amplitude als de fase van het licht aan te passen. Het team gebruikt twee veelvoorkomende formaten: quadratuur-faseverschuivingskeying en 16-niveaus quadratuur-amplitudemodulatie, die respectievelijk twee en vier bits per symbool dragen. De tweede vergrendelde laser blijft ongemoduleerd. Beide lichtstromen worden gecombineerd en in de hogesnelheidsfotodiode omgezet in een terahertzsignaal, dat vervolgens over een vrije-ruimteafstand van tien millimeter wordt uitgezonden. Aan de andere kant vertalen een speciale mixer en snelle elektronica de inkomende terahertsgolven terug naar een lagere frequentie die kan worden opgenomen en geanalyseerd zonder extra digitale nabehandeling buiten wat in de oscilloscoop ingebouwd is.

Hoeveel informatie in de nieuwe verbinding past

Om te beoordelen hoe goed het systeem werkt, onderzoeken de auteurs de patronen van ontvangen symbolen en berekenen ze hoe ver die afwijken van hun ideale posities, een maat bekend als foutvectormagnitud e. Als deze waarde onder bepaalde limieten blijft, kunnen gewone foutencorrectiecodes de resterende fouten opruimen. Met het eenvoudigere fasegebaseerde formaat zenden ze data bij symboolsnelheden tot 42 gigabaud, waarmee ze 84 gigabit per seconde bereiken. Met het veeleisendere 16-niveaus formaat bereiken ze 28 gigabaud, wat overeenkomt met 112 gigabit per seconde op een enkel draadloos kanaal bij 560 gigahertz, alles binnen de strengere foutlimieten. Ze vergelijken ook werking met en zonder de combreferentie en constateren dat vergrendeling aan de comb de lijnbreedte van de draaggolf vernauwt en faze-ruis vermindert, wat vooral de prestaties bij tussenliggende symboolsnelheden verbetert.

Wat dit betekent voor toekomstige draadloze verbindingen

Voor alledaagse gebruikers is de kernboodschap dat fotonische chips kunnen helpen nieuwe, stillere delen van het spectrum te ontsluiten voor zeer hoge snelheid draadloze verbindingen die op termijn basisstations kunnen koppelen en korte glasvezeltrajecten kunnen vervangen. Dit experiment toont aan dat een compacte, vezel-gepatenteerde combbron stabiel een terahertzzender ruim boven 350 gigahertz kan voeden en toch meer dan 100 gigabit per seconde kan dragen. Hoewel de specifieke 560 gigahertzband hier sterke absorptie in vochtige lucht kent en het beste geschikt is voor zeer korte verbindingen, kan dezelfde aanpak worden verplaatst naar nabijgelegen frequenties waar signalen verder reiken. Met krachtigere terahertzzenders en antennes met hogere versterking voorspellen de auteurs dat soortgelijke systemen uiteindelijk honderden gigabit-verbindingen over afstanden van vele meters zouden kunnen ondersteunen en zo een bouwsteen vormen voor toekomstige 6G-infrastructuur.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: terahertz draadloos, soliton microcomb, fotonische zender, 6G backhaul, hogesnelheidsverbinding