Интегрированная фотоника, обеспечивающая сверхширокополосную оптоволоконную–беспроводную связь

Почему важны более быстрые соединения

Потоковая передача 8K-видео множеству пользователей одновременно, управление парками дронов или объединение огромных центров обработки данных — всё это требует передачи огромных объёмов информации с минимальной задержкой. Сегодня эти задачи решаются совместно оптическими волокнами под землёй и беспроводными каналами в воздухе, но обе среды не всегда «говорят» на одном и том же языке пропускной способности. В этой статье описана новая чиповая технология, которая позволяет волоконным и беспроводным связям использовать существенно более широкую часть спектра, обещая более плавную, быструю и гибкую связь для будущих сетей типа 6G и далее.

Разрыв между кабелем и эфиром

Современные оптические волокна уже способны передавать потрясающие объёмы данных, но беспроводная сторона отстаёт, особенно на очень высоких радиочастотах, известных как терагерцевый диапазон. Сигналы, которые легко бегут по волокну, нужно перестраивать и преобразовывать перед передачей в эфир, проходя через громоздкую электронику, добавляющую шум, стоимость и задержку. Эти преобразования также плохо масштабируются на экстремально широкие полосы частот, что ограничивает число пользователей и объём передаваемой информации одновременно. В результате возникает давний разрыв: волоконные каналы могут переносить больше данных, чем последний беспроводной «хвост» способен надежно доставить.

Новый вид светового «переводчика»

Исследователи решили эту проблему с помощью платформы интегрированной фотоники — по сути миниатюрной оптической «платы», которая умеет как накладывать электрические данные на свет, так и превращать свет обратно в электрические сигналы в сверхшироком частотном диапазоне. С одной стороны чипа модулятор на ниобате лития работает как сверхбыстрый световой клапан, переключая инфракрасный луч или изменяя его уровни с полосой пропускания, превышающей 250 гигагерц. С другой стороны специально сконструированный фотодиод на основе фосфида индия эффективно превращает падающий свет обратно в электрические волны, также на диапазоне более 250 гигагерц. Вместе эти два устройства образуют световой «мост», который рассматривает волоконные и терагерцовые беспроводные каналы как части единой непрерывной системы.

Поднятие скоростей передачи данных на новые высоты

Чтобы оценить возможности такого моста, команда сначала применяла его в коротких волоконных каналах, подобных тем, что используются внутри центров обработки данных. При простой интенсивностной модуляции и без сложных корректирующих методов они достигли скоростей символов более 200 гигабауд. Сочетая оборудование с адаптированным алгоритмом искусственного интеллекта под названием сложная двунаправленная затворная рекуррентная единица (complex bidirectional gated recurrent unit), они подняли пропускную способность одного волоконного канала до 512 гигабит в секунду при достаточно низком уровне ошибок, чтобы стандартные схемы коррекции могли их исправить. Затем они провели беспроводные испытания около 180 гигагерц, генерируя и принимая терагерцовые волны с использованием тех же элементов чипа. С традиционной цифровой обработкой они уже превзошли прежние рекорды; при включённом ИИ-эквалайзере скорость достигла 400 гигабит в секунду на беспроводный канал, снова в пределах практических ограничений по ошибкам, как на коротких, так и на многометровых расстояниях.

Разделение эфира между множеством пользователей

Кроме чистой скорости, системе необходимо обслуживать множество пользователей одновременно. Авторы построили демонстрационную сеть доступа, в которой десятки видеосерверов подавали сигналы в оптический чип, те переводились в терагерцовые волны, а затем снова конвертировались в свет и направлялись к клиентским устройствам. Путём перестройки несущей частоты в диапазоне примерно от 140 до 220 гигагерц они создали 86 соседних каналов, каждый шириной по одному гигагерцу, и использовали их для потоковой передачи 8K-видео в реальном времени с чётким воспроизведением. Это продемонстрировало, что чип может поддерживать плотный широкополосный доступ — далеко опережающий практики текущего 5G — без сложной электроники или тяжёлой цифровой нагрузки.

Что это значит для повседневной связи

Проще говоря, эта работа показывает, что один набор миниатюрных световых устройств может связать сверхбыстрые волоконные и терагерцовые беспроводные каналы, обрабатывая оба с рекордной скоростью и эффективностью. Комбинируя сверхширокополосные модуляторы и детекторы со «умной» ИИ-очисткой сигналов, система передаёт больше информации на единицу спектра, чем предыдущие подходы, и масштабируется на множество одновременных каналов. Для будущих сетей это может означать более плавную потоковую передачу для многопользовательских скоплений, более отзывчивые облачные сервисы и надёжные каналы высокой ёмкости в местах, где прокладывать кабели сложно. Хотя для практических продуктов потребуется дальнейшая интеграция и доработка, демонстрация указывает на компактное, энергоэффективное сетевое оборудование, которое рассматривает волокно и беспроводную связь не как отдельные миры, а как части единой бесшовной высокоскоростной структуры.

Цитирование: Zhang, Y., Shu, H., Guo, Y. et al. Integrated photonics enabling ultra-wideband fibre–wireless communication. Nature 651, 348–355 (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10172-9

Ключевые слова: сверхширокополосная фотоника, сходимость волоконной и беспроводной связи, терагерцовая связь, интегрированные оптические чипы, сети 6G