Powyżej 350 GHz: Jednokanałowa transmisja fotoniczna 112 Gb/s przy 560 GHz z użyciem solitonowych mikrogrzebieni

Dlaczego przyszłe telefony potrzebują nowych, niewidocznych fal

Nasze telefony i urządzenia bezprzewodowe są coraz bardziej łakome na dane, ale wykorzystywane przez nie pasma radiowe są coraz bardziej zatłoczone. Badanie to sięga do nowego fragmentu widma, znacznie powyżej dzisiejszych pasm mobilnych, aby sprawdzić, czy niewielkie chipy napędzane światłem mogą przesyłać ruch internetowy przez powietrze wystarczająco szybko, by zastąpić część światłowodów. Praca pokazuje, że te fotoniczne silniki potrafią przesunąć łącza bezprzewodowe do mało używanego obszaru fal terahercowych, jednocześnie przenosząc ponad sto miliardów bitów danych na sekundę.

Krok poza dzisiejsze zatłoczone pasma

Obecne sieci 5G działają głównie poniżej 28 gigaherców, gdzie częstotliwości są zajęte, a kanały radiowe stosunkowo wąskie. Aby sprostać wymaganiom przyszłych systemów 6G, badacze patrzą na pasmo terahercowe, między około 0,3 a 1 bilionem cykli na sekundę. Ten zakres oferuje szerokie, czyste fragmenty widma, które mogłyby obsłużyć niezwykle szybkie łącza backhaul między stacjami bazowymi. Jednak wraz ze wzrostem częstotliwości sygnały słabiej rozchodzą się w powietrzu, a konwencjonalna elektronika ma trudności z generowaniem stabilnych, niskoszumowych fal znacznie powyżej 300 gigaherców. Dlatego region powyżej 350 gigaherców pozostaje w dużej mierze nieużywany dla łączy wysokiej prędkości, choć nie jest jeszcze przypisany wielu usługom.

Wykorzystanie światła do tworzenia ultraszybkich fal radiowych

Aby wejść w ten wyższy zakres, zespół zwraca się ku fotonice, używając światła zamiast czystej elektroniki do tworzenia sygnału radiowego. W centrum ich układu znajduje się chip z azotkiem krzemu, który generuje „grzebień” wielu równomiernie rozłożonych kolorów światła laserowego, wszystkie zblokowane fazowo względem siebie. Ten grzebień powstaje dzięki specjalnemu wzorcowi impulsów świetlnych zwanych solitonem, krążącemu po małym pierścieniu na chipie. Dwa zwykłe diodowe lasery są zmuszone podążać za, czyli blokować się do, dwóch sąsiednich linii grzebienia. Gdy te dwa zablokowane lasery padają razem na bardzo szybki fotodetektor, ich niewielka różnica kolorów „bija” i wytwarza stabilną falę w terahercach o częstotliwości 560 gigaherców, którą można użyć jako nośnej dla danych.

Opakowanie małego źródła światła do rzeczywistego użycia

Główną praktyczną przeszkodą przy takich chipach z grzebieniem było wprowadzanie i odbieranie światła bez użycia masywnych ławek optycznych, które tracą ustawienie. Naukowcy rozwiąali to, bezpośrednio wiążąc włókna optyczne z chipem przy użyciu krótkiego włókna o dużej aperturze numerycznej i kleju utwardzanego UV na szklanym wsporniku. To kompaktowe opakowanie ma zaledwie kilka milimetrów wielkości, ale może wytrzymać moce pompowania rzędu wata i utrzymuje prawie stałą efektywność sprzężenia przez wiele godzin. W testach nowe włóknowe połączenie utrzymywało działanie solitonowego grzebienia przez ponad dobę, podczas gdy tradycyjne ustawienie z soczewką na wolnej przestrzeni traciło ustawienie w ciągu minut w podobnych warunkach. Ta długoterminowa stabilność jest kluczowa, jeśli takie grzebienie mają być osadzone w praktycznych radiotelefonach terahercowych.

Wysyłanie i odbieranie ultraszybkich strumieni danych

Gdy stabilna fala 560 gigaherców zostanie wytworzona, jeden z laserów zablokowanych do grzebienia jest prowadzony przez zaawansowany modulator, który zapisuje dane poprzez regulację zarówno amplitudy, jak i fazy światła. Zespół używa dwóch powszechnych formatów: kluczowania fazy kwadraturowej (QPSK) oraz modulacji amplitudy kwadraturowej o 16 poziomach (16-QAM), które niosą odpowiednio dwa i cztery bity na symbol. Drugi zablokowany laser pozostaje niemodulowany. Oba strumienie światła są łączone i przekształcane w sygnał terahercowy w szybkiej fotodiodzie, po czym zostają wyemitowane przez dziesięciomilimetrową przerwę w wolnej przestrzeni. Po drugiej stronie specjalny mikser i szybka elektronika przetwarzają przychodzące fale terahercowe z powrotem na niższą częstotliwość, którą można zarejestrować i przeanalizować bez dodatkowego cyfrowego czyszczenia poza tym, co wbudowane jest w oscyloskop.

Ile informacji pomieści nowe łącze

Aby ocenić wydajność systemu, autorzy analizują wzory odebranych symboli i obliczają, jak bardzo odbiegają od idealnych pozycji — miarę znaną jako błąd wektora (error vector magnitude). Jeśli ta wartość pozostaje poniżej określonych limitów, zwykłe kody korekcji błędów mogą usunąć pozostałe pomyłki. Przy prostszym formacie opartym na fazie przesyłają dane z szybkościami symbolowymi do 42 gigabaudów, osiągając 84 gigabitów na sekundę. W bardziej wymagającym formacie 16-poziomowym dochodzą do 28 gigabaudów, co odpowiada 112 gigabitom na sekundę na pojedynczym kanale bezprzewodowym przy 560 gigahercach, wszystkie w ramach ostrzejszych limitów błędów. Porównują też działanie z odniesieniem do grzebienia i bez niego, wykazując, że blokowanie do grzebienia zwęża linię nośną i zmniejsza szum fazowy, co szczególnie poprawia wydajność przy pośrednich szybkościach symbolowych.

Co to oznacza dla przyszłych łączy bezprzewodowych

Dla zwykłych użytkowników kluczowe przesłanie jest takie, że chipy fotoniczne mogą pomóc odblokować nowe, ciszej pracujące części widma dla bardzo szybkich połączeń bezprzewodowych, które pewnego dnia mogą łączyć stacje bazowe i zastępować krótkie odcinki światłowodów. Eksperyment pokazuje, że kompaktowe, włóknowo zapakowane źródło grzebieniowe może stabilnie zasilać nadajnik terahercowy daleko powyżej 350 gigaherców i nadal przenosić ponad 100 gigabitów na sekundę. Chociaż konkretne pasmo 560 gigaherców użyte tutaj silnie tłumi się w wilgotnym powietrzu i nadaje się głównie do bardzo krótkich łączy, to samo podejście można przesunąć do pobliskich częstotliwości, gdzie sygnały przemieszczają się dalej. Przy silniejszych emiterach terahercowych i antenach o większym zysku autorzy przewidują, że podobne systemy mogłyby ostatecznie wspierać łącza na setki gigabitów na odległościach sięgających wielu metrów, tworząc element infrastruktury przyszłego 6G.

Cytowanie: 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

Słowa kluczowe: bezprzewodowe teraherce, solitonowy mikrogrzebień, nadajnik fotoniczny, backhaul 6G, łącze wysokiej prędkości