Além de 350 GHz: transmissão fotônica sem fio de canal único a 112 Gbps em 560 GHz usando microcombs de solitão

Por que os celulares do futuro precisam de novas ondas invisíveis

Nossos celulares e aparelhos sem fio consomem cada vez mais dados, mas as faixas de rádio que usam estão ficando congestionadas. Este estudo explora uma nova faixa do espectro, muito acima das bandas móveis atuais, para avaliar se pequenos chips alimentados por luz podem enviar tráfego de internet pelo ar rápido o bastante para substituir alguns cabos de fibra. O trabalho mostra que esses pequenos motores fotônicos podem empurrar enlaces sem fio para uma região pouco usada de ondas terahertz enquanto ainda transportam mais de 100 bilhões de bits por segundo.

Avançando além das faixas congestionadas de hoje

As redes 5G atuais operam em sua maior parte abaixo de 28 gigahertz, onde as frequências estão ocupadas e os canais de rádio são relativamente estreitos. Para atender às demandas dos futuros sistemas 6G, pesquisadores estão de olho na banda terahertz, entre cerca de 0,3 e 1 trilhão de ciclos por segundo. Essa faixa oferece fatias amplas e limpas do espectro que poderiam suportar enlaces de backhaul extremamente rápidos entre estações base. No entanto, quanto maior a frequência, mais rapidamente os sinais atenuam no ar, e a eletrônica convencional tem dificuldade para gerar ondas estáveis e de baixo ruído muito acima de 300 gigahertz. A região acima de 350 gigahertz, portanto, permaneceu em grande parte não utilizada para enlaces de alta velocidade, embora ainda não esteja atribuída a muitos serviços.

Usando luz para gerar ondas de rádio ultrarrápidas

Para alcançar essa faixa mais alta, a equipe recorre à fotônica, usando luz em vez de eletrônica pura para criar o sinal de rádio. No coração do arranjo está um chip de nitreto de silício que produz um “pente” de muitas cores de laser igualmente espaçadas, todas presas em fase entre si. Esse pente é gerado por um padrão especial de pulsos de luz chamado solitão, que circula em torno de um anel minúsculo no chip. Dois diodos laser comuns são forçados a seguir, ou trancarem-se, em duas cores vizinhas do pente. Quando esses dois lasers travados incidem juntos sobre um fotodiodo muito rápido, sua pequena diferença de cor interfere e produz uma onda terahertz estável em 560 gigahertz, que então pode ser usada como portadora de dados.

Encaixotando a fonte de luz minúscula para uso real

Um grande obstáculo prático com esses chips de pente sempre foi fazer a entrada e saída de luz sem bancadas ópticas volumosas que perdem alinhamento. Os pesquisadores resolveram isso ao colar diretamente fibras ópticas ao chip usando uma fibra curta de alta abertura numérica e um adesivo curável por UV sobre um suporte de vidro. Esse pacote compacto tem apenas alguns milímetros de largura, mas suporta potências de bombeio de um watt e mantém sua eficiência de acoplamento quase constante por muitas horas. Em testes, o novo projeto com fibra acoplada manteve o microcomb de solitão funcionando por mais de um dia, enquanto um arranjo tradicional com lentes em espaço livre perdia o alinhamento em minutos em condições semelhantes. Essa estabilidade de longo prazo é essencial se tais pentes forem incorporados em rádios terahertz práticos.

Enviando e recebendo fluxos de dados ultrarrápidos

Uma vez criada a onda estável de 560 gigahertz, um dos lasers travados no pente é alimentado por um modulador avançado que imprime os dados ajustando tanto a amplitude quanto a fase da luz. A equipe usa dois formatos comuns: chaveamento por deslocamento de fase em quadratura e modulação de amplitude em quadratura de 16 níveis, que carregam dois e quatro bits por símbolo, respectivamente. O segundo laser travado permanece não modulado. Ambos os feixes de luz são combinados e convertidos em um sinal terahertz no fotodiodo de alta velocidade, então lançados através de uma lacuna de espaço livre de dez milímetros. Do outro lado, um misturador especial e eletrônica rápida traduzem as ondas terahertz recebidas para uma frequência mais baixa que pode ser registrada e analisada sem limpeza digital extra além do que já está embutido no osciloscópio.

Quanto de informação cabe no novo enlace

Para avaliar o desempenho do sistema, os autores examinam os padrões de símbolos recebidos e calculam o quanto eles se desviam de suas posições ideais, uma medida conhecida como magnitude do vetor de erro. Se esse valor permanecer abaixo de certos limites, códigos de correção de erro comuns podem limpar os erros remanescentes. Usando o formato mais simples baseado em fase, eles enviam dados a taxas de símbolo de até 42 gigabaud, alcançando 84 gigabits por segundo. Com o formato mais exigente de 16 níveis, chegam a 28 gigabaud, o que corresponde a 112 gigabits por segundo em um único canal sem fio em 560 gigahertz, tudo dentro dos limites de erro mais rígidos. Eles também comparam a operação com e sem a referência do pente e constatam que o travamento ao pente estreita a largura de linha da portadora e reduz o ruído de fase, melhorando especialmente o desempenho em taxas de símbolo intermediárias.

O que isso significa para enlaces sem fio do futuro

Para os usuários do dia a dia, a mensagem principal é que chips fotônicos podem ajudar a desbloquear novas partes mais silenciosas do espectro para conexões sem fio de altíssima velocidade que um dia podem ligar estações base e substituir trechos curtos de fibra. Este experimento demonstra que uma fonte de pente compacta e embalada em fibra pode alimentar de forma estável um transmissor terahertz bem além de 350 gigahertz e ainda transportar mais de 100 gigabits por segundo. Embora a banda específica de 560 gigahertz usada aqui sofra forte absorção em ar úmido e seja mais adequada a enlaces muito curtos, a mesma abordagem pode ser ajustada para frequências próximas onde os sinais viajam mais longe. Com emissores terahertz mais potentes e antenas de maior ganho, os autores projetam que sistemas semelhantes poderiam eventualmente suportar enlaces de centenas de gigabits por vários metros, formando um bloco construtivo para a infraestrutura 6G do futuro.

Citação: 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

Palavras-chave: rádio terahertz, microcomb de solitão, transmissor fotônico, backhaul 6G, enlace de alta velocidade