Превышение километровой дальности терагерцовой беспроводной связи выше 300 ГГц, обеспеченное гибридным фотонно‑электронным синергизмом

Быстрее по воздуху

Потоковая передача видео ультра‑высокой чёткости, соединение удалённых поселений или восстановление связей после стихийных бедствий — всё это требует каналов передачи данных, которые одновременно чрезвычайно быстры и просты в развёртывании. Оптическое волокно обеспечивает огромную пропускную способность, но его прокладка дорогая и медленная при пересечении рек, гор или плотной городской застройки. В этой статье рассматривается другой путь: использование высокочастотных «терагерцовых» радиоволн для беспроводной передачи данных на уровне волокон на километры, что потенциально может изменить способ построения сетей будущего.

Почему эти невидимые волны важны

Современные мобильные сети уже перегружены низкочастотным спектром. Чтобы не отставать от взрывного роста трафика, исследователи обращаются к терагерцовым диапазонам выше 300 гигагерц, где имеется большой, в основном неиспользуемый спектр, обещающий десятки или даже сотни гигабит в секунду. Такие каналы идеально подходят для соединения базовых станций, зданий или временных площадок, когда прокладка волокна непрактична. Однако есть загвоздка: на таких высоких частотах сигнал быстро затухает в воздухе, и существующие передатчики испытывают трудности с генерацией достаточной мощности, особенно когда сигнал формируется оптическими методами, хорошо интегрирующимися с волоконными сетями.

Главная идея: объединение света и электроники

Авторы предлагают гибридное решение, сочетающее сильные стороны фотоники и вакуумной электроники. На стороне передатчика две точно настроенные лазерные частоты интерферируют в специальном фотодиоде, генерируя высокочастотный терагерцовый сигнал, естественно сочетающийся с современными волоконными системами и поддерживающий ультра‑высокие скорости передачи. Этот слабый сигнал затем подаётся в специально созданное устройство — усилитель на волновой трубке, где пучок электронов, взаимодействуя с тщательно сформированным металлическим волноводом, усиливает мощность от микроватт до нескольких ватт. На приёмной стороне большая пластиковая линза концентрирует ослабленный после километрового пути сигнал на два отдельных электронных приёмника, выходы которых интеллектуально комбинируются для повышения чувствительности.

Создание мощного терагерцового двигателя

В основе работы — новый усилитель, работающий около 335 гигагерц. Традиционные твердотельные усилители на этих частотах дают лишь десятки милливатт выходной мощности и ограниченный коэффициент усиления, что ограничивает достижимую дальность. Команда переработала внутреннюю структуру волновода волновой трубки так, чтобы электрическое поле сильнее связывалось с электронным пучком при сохранении низких потерь, даже на терагерцовых частотах. Их устройство достигает почти 4 ватт непрерывной выходной мощности и более 50 децибел усиления — примерно десятитысячного увеличения мощности сигнала — при сохранении хорошей эффективности для этой сложной полосы. Эти показатели в настоящее время устанавливают новый эталон для усилителей выше 300 гигагерц.

Передача высокоскоростных данных через город

Чтобы протестировать всю систему, исследователи развернули точечный терагерцовый канал между двумя небоскрёбами в Нанкине, Китай, протяжённостью 2,2 километра с пересечением нескольких городских рек. В одном здании оптический передатчик сгенерировал несущую на 335 гигагерц, модулировал её 16‑уровневым паттерном данных и усилил с помощью нового усилителя перед подачей на антенну с высоким коэффициентом усиления на крыше. В удалённом здании большая линза захватывала слабый луч и направляла его на два тесно расположенных приёмника. Их электрические выходы записывались и обрабатывались с помощью продвинутых цифровых алгоритмов, комбинирующих оба потока и эффективно используя различия в затухании и шуме по двум слегка разным путям для очистки сигнала.

Больше из того же воздуха

Подход с двумя приёмниками дал явное преимущество. По сравнению с использованием только одного приёмника, комбинирование пары увеличивало отношение сигнал/шум почти на 3 децибела — что эквивалентно почти двойному увеличению полезной мощности сигнала — позволяя системе поддерживать более высокие скорости передачи и выдерживать более слабые входные сигналы. С этой гибридной фотонно‑электронной архитектурой команда достигла чистой скорости передачи данных 27,84 гигабита в секунду на расстоянии 2,2 километра при 335 гигагерц. Это новый рекорд по произведению скорости данных и дальности в этом диапазоне частот и демонстрирует, что километровые беспроводные каналы волоконного уровня возможны даже выше 300 гигагерц.

Что это значит для сетей будущего

Для неспециалистов ключевой вывод в том, что авторы продемонстрировали практический способ значительно увеличить дальность распространения очень высокочастотных беспроводных сигналов, не жертвуя сверхвысокими скоростями, обещаемыми терагерцовыми диапазонами. Сочетая оптическую генерацию сигнала с мощным электронно‑лучевым усилителем и интеллектуальной обработкой двух приёмников, они преодолевают сильные потери, которые эти волны обычно испытывают в воздухе. Хотя ещё требуются улучшения по ширине полосы и компактности, эта работа указывает на будущее, где длинные высокомощные каналы можно быстро развёртывать в свободном пространстве, дополняя волокно и помогая нести огромные объёмы данных, ожидаемые в последующих поколениях систем связи.

Цитирование: Cai, Y., Zhang, L., Zhang, J. et al. Surpassing kilometer-scale terahertz wireless communication beyond 300 GHz enabled by hybrid photonic–electronic synergy. Light Sci Appl 15, 228 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02321-6

Ключевые слова: терагерцовая беспроводная связь, магистраль 6G, усилитель на волновой трубке (TWT), системы связи с фотонной поддержкой, дальнодействующие высокоскоростные каналы