Bortom 350 GHz: Enkelkanals fotonisk trådlös överföring 112 Gbps vid 560 GHz med soliton-mikrokam

Varför framtidens telefoner behöver nya osynliga vågor

Våra telefoner och trådlösa prylar är hungriga efter data, men de radioband de använder blir allt mer överfyllda. Denna studie undersöker ett nytt spektrumområde, långt ovanför dagens mobilband, för att se om små ljusdrivna kretsar kan skicka internettrafik genom luften tillräckligt snabbt för att ersätta vissa fiberanslutningar. Arbetet visar att dessa små fotoniska motorer kan skjuta trådlösa länkar in i ett liteanvänt område av terahertzvågor samtidigt som de fortfarande transporterar mer än 100 miljarder bitar per sekund.

Steg bortom dagens trånga frekvensband

Dagens 5G-nätverk fungerar mestadels under 28 gigahertz, där frekvenserna är upptagna och radiokanalerna relativt smala. För att möta kraven från framtida 6G-system siktar forskare mot terahertzbandet, mellan cirka 0,3 och 1 biljon cykler per sekund. Detta område erbjuder breda, rena spektrumbitar som kan stödja extremt snabba backhaul-länkar mellan basstationer. Men ju högre frekvens, desto snabbare dämpas signalerna i luften, och konventionell elektronik har svårt att generera stabila, lågnivåbrusvågor mycket över 300 gigahertz. Regionen över 350 gigahertz har därför förblivit i stort sett oanvänd för höghastighetslänkar, även om den ännu inte är tilldelad många tjänster.

Använda ljus för att skapa ultrahöga radiovågor

För att ta steget in i detta högre område vänder sig teamet till fotonik och använder ljus i stället för ren elektronik för att skapa radiosignalen. Kärnan i deras uppställning är en kisel-nitridkrets som producerar en ”kam” av många jämnt åtskilda laserfärger, alla faslåsta med varandra. Denna kam genereras av ett speciellt mönster av ljuspulser kallat en soliton som cirkulerar runt en liten ring på kretsen. Två vanliga laserdioder tvingas följa, eller låsa sig till, två intilliggande färger från kamen. När dessa två låsta lasrar lyser tillsammans på en mycket snabb fotodiod slår deras lilla färgskillnad ihop och producerar en stabil terahertzvåg vid 560 gigahertz, som sedan kan användas som bärare för data.

Paketering av den lilla ljuskällan för verklig användning

Ett större praktiskt hinder med sådana kamkretsar har varit att få ljus in och ut utan skrymmande optiska bänkar som glider ur läge. Forskarna löste detta genom att direkt bonda optiska fibrer till kretsen med en kort fiber med hög numerisk apertur och ett UV-härdande lim på ett glast stöd. Detta kompakta paket är bara några millimeter stort men kan tåla pumpkrafter på en watt och behåller sin kopplingseffektivitet nästan konstant under många timmar. I tester höll den nya fiberkopplade designen soliton-kamen igång i mer än ett dygn, medan en traditionell fri rymd-linsuppställning förlorade inriktning inom några minuter under liknande förhållanden. Denna långsiktiga stabilitet är avgörande om sådana kammar ska sitta inne i praktiska terahertz-radioapparater.

Skicka och ta emot ultrahöga dataströmmar

När den stabila 560 gigahertzvågen är skapad matas en av de kamlåsta lasrarna genom en avancerad modulator som avbildar data genom att justera både ljusets amplitud och fas. Teamet använder två vanliga format: kvadraturfasförskjutningsnyckling och 16-nivå kvadraturamplitudmodulation, vilka bär två respektive fyra bitar per symbol. Den andra låsta lasern förblir omodulerad. Båda ljusströmmarna kombineras och omvandlas till en terahertzsignal i fotodioden med hög hastighet, och skickas sedan över ett fritt rymdgap på tio millimeter. På andra sidan översätter en speciell mixer och snabb elektronik de inkommande terahertzvågorna tillbaka till en lägre frekvens som kan spelas in och analyseras utan någon extra digital efterbearbetning utöver vad oscilloskopet redan har inbyggt.

Hur mycket information får plats i den nya länken

För att bedöma hur bra systemet fungerar undersöker författarna mönstren av mottagna symboler och beräknar hur långt de avviker från sina ideala positioner, ett mått känt som error vector magnitude. Om detta värde håller sig under vissa gränser kan vanliga felkorrigeringskoder åtgärda de återstående felen. Med det enklare fasbaserade formatet skickar de data med symbolhastigheter upp till 42 gigabaud och uppnår 84 gigabit per sekund. Med det mer krävande 16-nivåformatet når de 28 gigabaud, vilket motsvarar 112 gigabit per sekund på en enda trådlös kanal vid 560 gigahertz, allt inom de strängare felgränserna. De jämför också drift med och utan kamreferens och finner att låsning till kamen smalnar bärarens linjebredd och minskar fasbrus, vilket särskilt förbättrar prestanda vid mellanliggande symbolhastigheter.

Vad detta betyder för framtida trådlösa länkar

För vardagsanvändare är huvudbudskapet att fotoniska kretsar kan hjälpa till att låsa upp nya, lugnare delar av spektrumet för mycket högkapacitets trådlösa förbindelser som en dag kan länka basstationer och ersätta korta fibersträckor. Denna experimentella demonstration visar att en kompakt, fiberpaketerad kamkälla stabilt kan mata en terahertz-sändare långt över 350 gigahertz och ändå bära över 100 gigabit per sekund. Medan det specifika 560 gigahertz-bandet som användes här lider av stark absorption i fuktig luft och passar bäst för mycket korta länkar, kan samma metod flyttas till närliggande frekvenser där signalerna färdas längre. Med kraftfullare terahertz-sändare och högre förstärkningsantenner projicerar författarna att liknande system så småningom kan stödja flera hundra gigabit per sekund över avstånd på flera meter och utgöra en byggsten för framtida 6G-infrastruktur.

Citering: 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

Nyckelord: terahertz trådlöst, soliton-mikrokam, fotonisk sändare, 6G backhaul, högkapacitetslänk