Терагерцовый приемник для беспроводной связи 6G

Будущие беспроводные сети 6-го поколения (6G) будут состоять из множества небольших радиоячеек, которые необходимо соединить широкополосными линиями связи. В этом контексте беспроводная передача на терагерцовых частотах представляет собой особенно привлекательное и гибкое решение. Исследователи из Технологического института Карлсруэ (KIT) разработали новую концепцию недорогих терагерцовых приемников, которые состоят из одного диода в сочетании со специальной технологией обработки сигналов. В эксперименте команда продемонстрировала передачу со скоростью 115 Гбит/с и несущей частотой 0,3 ТГц на расстояние 110 метров. Результаты опубликованы в Nature Photonics.

За 5G последует 6G: шестое поколение мобильной связи обещает еще более высокие скорости передачи данных, меньшую задержку и значительно увеличенную плотность оконечных устройств, используя ИИ для управления устройствами или автономными транспортными средствами в эпоху Интернета вещей. «Чтобы одновременно обслуживать как можно больше пользователей и передавать данные с максимальной скоростью, будущие беспроводные сети будут состоять из большого количества небольших радиоячеек», - объясняет проф. Кристиан Коос (Christian Koos), который работает над технологиями 6G в KIT вместе со своим коллегой проф. Себастьяном Ранделом (Sebastian Randel). Между этими радиоячейками короткие расстояния, так что можно передавать данные на высоких скоростях с минимальным потреблением энергии и низким уровнем электромагнитного излучения. Соответствующие базовые станции будут компактными, и их можно будет легко установить на фасады зданий или уличные фонари.

Чтобы сформировать мощную и гибкую сеть, эти базовые станции должны быть соединены высокоскоростными беспроводными линиями, которые обеспечивают скорость передачи данных в десятки или даже сотни гигабит в секунду. Это может быть достигнуто с помощью несущих терагерцовых волн, которые занимают частотный диапазон между микроволнами и инфракрасными световыми волнами. Однако приемники терагерцового диапазона по-прежнему довольно сложны и дороги и часто представляют собой узкое место полосы пропускания всего канала. В сотрудничестве с Virginia Diodes (VDI) в Шарлоттсвилле, США, исследователи из Института фотоники и квантовой электроники (IPQ), Института технологии микроструктуры (IMT) и Института физики пучка и технологии (IBPT) продемонстрировали особенно простой недорогой приемник терагерцовых сигналов.

«По своей сути приемник состоит из одного диода, который выпрямляет терагерцовый сигнал», - говорит д-р Тобиас Хартер (Tobias Harter), который проводил демонстрацию вместе со своим коллегой Кристофом Фюльнером (Christoph Füllner) в рамках своей докторской диссертации. Диод представляет собой так называемый диод с барьером Шоттки, который обеспечивает большую полосу пропускания и используется в качестве детектора огибающей для восстановления амплитуды терагерцового сигнала. Однако для правильного декодирования данных дополнительно требуется зависящая от времени фаза терагерцовой волны, которая обычно теряется во время выпрямления. Чтобы решить эту проблему, исследователи используют методы цифровой обработки сигналов в сочетании с особым классом сигналов данных, для которых фаза может быть восстановлена по амплитуде с помощью так называемых соотношений Крамерса-Кронига. Отношение Крамерса-Кронига описывает математическую связь между действительной и мнимой частью аналитического сигнала. Используя концепцию своего приемника, ученые достигли скорости передачи 115 Гбит/с на несущей частоте 0,3 ТГц на расстоянии 110 м. «Это самая высокая скорость передачи данных, продемонстрированная для беспроводной передачи терагерцового диапазона на расстояние более 100 м», - говорит Фюльнер. Приемник терагерцового диапазона, разработанный KIT, выделяется своей технической простотой и подходит для рентабельного массового производства.

Будущая мобильная сеть: небольшие радиоячейки (оранжевый) соединены беспроводными высокоскоростными терагерцовыми линиями (зеленый)