Продемонстрирована сверхскоростная связь в терагерцевом диапазоне

Проблема радиодиапазона от 3 до 3 000 МГц в том, что он переполнен: телевидение, радио, мобильные телефоны, GPS, Wi-Fi, Bluetooth и прочее, и прочее... Что же делать?

Учёные во главе со Свеном Кёнигом (Swen König) из Технологического института Карлсруэ (Германия) явили миру связь в радиодиапазоне 237,5 ГГц — то есть далеко за пределами обычного радиодиапазона повседневного использования.

И связь эта была реализована на скорости в 100 Гбит/с, дорогие друзья.

Чтобы лучше понять значение этих цифр, напомним: во многих странах мира (включая Россию) с 3G всё очень плохо, хотя это то, что может обеспечить конечному пользователю скорость лишь в какие-то несколько мегабит в секунду (без HSPA+). На практике же часто и такая скорость остаётся «расчётной», отчего все мы и тянемся к 4G. Не будем воспевать преимущества таких сетей, просто скажем, что даже следующее поколение технологий связи (а это, как ни странно, 5G) предполагает лишь 1–10 Гбит/с на абонента.

Два компонента луча лазера с синхронизационными модами светят на фотодиод, чтобы получить субтерагерцевое излучение. Затем интегральная схема получает сигнал и извлекает из него переданную информацию. (Иллюстрация Emily Cooper.)

Между тем, по уверениям немецких кудесников, продемонстрированные ими 100 Гбит/с потенциально вполне доступны всем и каждому, кто реализует связь в названном диапазоне. Дело в том, что сегодня на 237,5 ГГц и в помине нет той толкучки, от которой задыхается 3–3 000 МГц. Кроме того, по своим параметрам это излучение очень близко к терагерцевому, то есть при отсутствии ионизирующего воздействия сравнительно легко проникает через капли дождя и туман, ухудшающие связь на других частотах. Этот «субтерагерцевый диапазон» лишь недавно «увлёк» разработчиков по всему миру, потому что создание мощных терагерцевых передатчиков-приёмников — пока довольно сложная задача. Между тем свободный диапазон существует и на волнах, что чуть короче терагерцевых.

Для достижения таких параметров немцы интегрировали в передатчик элементы, обычно относящиеся к фотонике, — фотонный смеситель производства японской компании NTT-NEL. Он состоит из фотодиода, на который накладываются два лазерных сигнала с разной частотой. Один из них модулируется для того, чтобы нести информацию, а другой — нет. В итоге их воздействия на фотодиод генерируется электрический сигнал с частотой, соответствующей разнице частот двух оптических (237,5 ГГц). Лишь после этого сигнал излучается с помощью антенны.

Для приёма использовалась специально созданная интегральная схема из транзисторов с высокой подвижностью электронов. Схема размером в несколько квадратных миллиметров уже сейчас может быть интегрирована в смартфоны и планшеты, делая, таким образом, широкое распространение приёмников, успешно работающих в миллиметровом диапазоне на высоких скоростях, сравнительно простой задачей. Схема усиливает входящее излучение и смешивает его с другой частотой для полного извлечения передаваемых данных.

Хотя передача данных состоялась на дистанции всего в 20 метров, подчёркивается, что это лишь проба сил, а использование именно субтерагерцевого диапазона позволяет надеяться на неплохое преодоление обычных преград на пути такой связи — тех же домовых стен и прочего. В сравнении с другим высокоэффективным беспроводным способом передачи данных — лазерными системами атмосферного пользования — субтерагерцевые передатчики и приёмники малочувствительны к атмосферным помехам, делающим применение лазерной связи в туман весьма проблематичным.

Часть экспериментальной установки (фото Swen König et al.).

Сейчас ведутся работы по доводке экспериментальной системы беспроводной связи для дистанций в сотни метров. Ну а перспективы здесь более чем многообещающие. Так, в мае 2013 года, используя чисто электронную систему без фотонного смесителя, группа г-на Кёнига уже передала данные на частоте в 240 ГГц со скоростью 40 Гбит/с, то есть с фотонным смесителем, который учёные интегрируют в схему сейчас, скорость должна возрасти в несколько раз. «Полагаем, этот подход обеспечит путь к развёртыванию беспроводных коммуникаций со скоростями до терабита в секунду на дистанциях более одного километра», — заявляют разработчики. Если всё это так, то подобная связь станет отличным средством преодоления расстояния от вышки до конечного пользователя — часто самого некачественного сегмента, считающегося крупнейшим источником проблем беспроводного Интернета как в больших городах, так и за их пределами.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature Photonics.

Подготовлено по материалам IEEE Spectrum. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.