За пределами 350 ГГц: одноканальная фотонная беспроводная передача 112 Гбит/с на 560 ГГц с использованием солитонных микрокомбов

Почему будущим телефонам нужны новые невидимые волны

Наши телефоны и беспроводные устройства «жадны» до данных, но используемые ими частоты становятся перегруженными. В этом исследовании рассматривается свежий участок спектра, значительно выше нынешних мобильных диапазонов, чтобы выяснить, смогут ли крошечные световые чипы передавать интернет-трафик по воздуху достаточно быстро, чтобы заменить часть оптоволоконных кабелей. Работа показывает, что эти небольшие фотонные движки могут сдвинуть беспроводные связи в малоиспользуемую область терагерцовых волн и при этом нести более 100 миллиардов битов данных в секунду.

Шаг за пределы сегодняшних переполненных частот

Современные сети 5G в основном работают ниже 28 гигагерц — там частоты заняты, а радиоканалы относительно узки. Чтобы удовлетворить требования будущих систем 6G, исследователи обращают внимание на терагерцевый диапазон, приблизительно от 0,3 до 1 триллиона циклов в секунду. Этот диапазон предлагает широкие, «чистые» участки спектра, которые могли бы поддерживать чрезвычайно быстрые магистральные каналы между базовыми станциями. Однако чем выше частота, тем сильнее сигналы затухают в воздухе, и традиционная электроника испытывает трудности с созданием стабильных низкошумных волн существенно выше 300 гигагерц. Поэтому область выше 350 гигагерц до сих пор в основном не использовалась для высокоскоростных соединений, хотя она ещё не выделена многим службам.

Использование света для генерации сверхбыстрых радиоволн

Чтобы перейти в этот более высокий диапазон, команда обращается к фотонике, используя свет вместо чистой электроники для создания радиосигнала. В основе их установки — кремнийнитридный чип, который генерирует «гребёнку» из множества равномерно расположенных цветов лазерного света, все синхронизованные по фазе. Эта гребёнка создаётся специальным паттерном световых импульсов, называемым солитоном, циркулирующим по крошечному кольцу на чипе. Два обычных лазерных диода принуждаются следовать, или «защёлкиваться», на два соседних цвета из гребёнки. Когда эти два зафиксированных лазера падают вместе на очень быстрый фотодиод, их малая разница по цвету интерферирует и производит устойчивую терагерцевую волну на 560 гигагерц, которая затем может служить несущей для данных.

Упаковка крошечного источника света для реального использования

Главным практическим препятствием для таких гребёнок на чипах было обеспечение ввода и вывода света без громоздких оптических столов, которые теряют выравнивание. Исследователи решили эту проблему, непосредственно приклеив оптические волокна к чипу, используя короткое волокно с высоким числом апертуры и УФ-отвердевающий клей на стеклянной подложке. Этот компактный пакет имеет размер всего в несколько миллиметров, но способен выдерживать мощность накачки до ватта и сохранять эффективность сопряжения практически постоянной в течение многих часов. В тестах новый дизайн с волоконным выводом держал солитонную гребёнку в работе более суток, тогда как традиционная схема с линзой в свободном пространстве теряла выравнивание за считанные минуты в похожих условиях. Такая долгосрочная стабильность необходима, если такие гребёнки должны оказаться внутри практичных терагерцевых радиоустройств.

Передача и приём сверхбыстрых потоков данных

Как только создаётся стабильная волна на 560 гигагерц, один из лазеров, зафиксированных на гребёнке, пропускают через продвинутый модулятор, который накладывает данные, изменяя и амплитуду, и фазу света. Команда использует два распространённых формата: квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK) и 16-уровневую квадратурную амплитудную модуляцию (16-QAM), которые несут соответственно два и четыре бита на символ. Второй зафиксированный лазер остаётся немодулированным. Оба световых потока объединяются и преобразуются в терагерцевый сигнал в высокоскоростном фотодиоде, затем запускаются через зазор в свободном пространстве длиной десять миллиметров. На приёмной стороне специальный миксер и быстрая электроника переводят входящую терагерцевую волну вниз по частоте, чтобы её можно было записать и проанализировать без дополнительной цифровой «чистки» помимо встроенной в осциллограф.

Сколько информации помещается в новой линии

Чтобы оценить работу системы, авторы анализируют распределение принятых символов и вычисляют, насколько они отклоняются от идеальных положений — меру, известную как величина вектора ошибки (EVM). Если это значение остаётся ниже определённых порогов, обычные коды коррекции ошибок могут исправить оставшиеся ошибки. При более простом фазовом формате они передают данные со скоростью символов до 42 гигабод, достигая 84 гигабит/с. С более требовательной 16-уровневой схемой они достигают 28 гигабод, что соответствует 112 гигабит/с по одному беспроводному каналу на 560 гигагерц, и всё это укладывается в более строгие пределы ошибок. Они также сравнивают работу с опорой на гребёнку и без неё и показывают, что подстройка по гребёнке сужает ширину линии несущей и снижает фазовый шум, особенно улучшая работу на промежуточных скоростях символов.

Что это значит для будущих беспроводных связей

Для обычных пользователей главное сообщение состоит в том, что фотонные чипы могут помочь открыть новые, менее шумные участки спектра для очень высокоскоростных беспроводных соединений, которые однажды могут связать базовые станции и заменить короткие участки оптики. Этот эксперимент демонстрирует, что компактный, волоконно-упакованный источник гребёнки может стабильно питать терагерцевый передатчик далеко за пределами 350 гигагерц и при этом нести более 100 гигабит/с. Хотя конкретный диапазон 560 гигагерц, использованный здесь, сильно поглощается влажным воздухом и подходит в первую очередь для очень коротких линий, тот же подход можно сдвинуть на соседние частоты, где сигналы проходят дальше. С более мощными терагерцевыми излучателями и антеннами с большим усилением авторы прогнозируют, что подобные системы в будущем могут поддерживать мультиcотегигабитные каналы на расстояниях в несколько метров, становясь строительным блоком инфраструктуры 6G.

Цитирование: 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

Ключевые слова: терагерцевое беспроводное, солитонный микрокомб, фотонный передатчик, магистраль 6G, высокоскоростная связь