Учёные предложили новый способ кодирования данных для стандарта связи 6G
Исследователи по всему миру работают над созданием технологии для передачи данных в терагерцовом (ТГц) диапазоне, которая позволяла бы передавать и принимать информацию намного быстрее, чем это делают существующие сегодня технологии. Однако сжимать данные для передачи в ТГЦ-диапазоне намного сложнее, чем в ГГц-диапазоне, который сегодня используется для технологии 5G. Группа учёных из Университета ИТМО продемонстрировала возможность модифицирования терагерцовых импульсов с целью использования их для передачи данных. Результаты исследования были опубликованы на страницах Научного бюллетеня.
Телекоммуникационные компании в странах с развитой экономикой начинают внедрять новый стандарт связи 5G, который способен обеспечить ранее недостижимые скорости передачи данных в беспроводных сетях. Тем временем, пока компании только лишь начинают разворачивать сети передачи данных нового – пятого – поколения, учёные уже работают над его преемником.
«Мы говорим о технологиях 6G, – заявляет Егор Опарин, сотрудник Лаборатории фемтосекундной оптики и фемтотехнологий Университета ИТМО. – Они повысят скорость передачи данных в 100-1000 раз, но для их внедрения нам придётся перейти на терагерцовый диапазон».
Сегодня технология одновременной передачи нескольких каналов данных по одному физическому каналу была успешно внедрена на практике в инфракрасном (ИК) диапазоне. В основе данной технологи лежит взаимодействие двух широкополосных ИК-импульсов с шириной полосы, измеряемой в десятках нанометров. В терагерцовом диапазоне полоса пропускания таких импульсов будет намного большей – и, следовательно, намного большей будет и их пропускная способность для передачи данных.
Однако для начала учёным и инженерам необходимо будет найти решение для многих критически важных проблем. Одна из таких проблем связана с вопросами интерференции двух импульсов, что в итоге должно привести к так называемой последовательности импульсов или частотному гребню, используемому для кодирования данных.
«В терагерцовом диапазоне импульсы, как правило, несут в себе небольшое количество колебаний поля: буквально один или два на один импульс, – говорит Егор Опарин. – Они очень короткие и на графике выглядят как тонкие пики. Обеспечить интерференцию между такими импульсами довольно сложно, так как их трудно перекрывать».
Группа учёных из Университета ИТМО предложила продлить импульс во времени – таким образом, чтобы он длился в несколько раз дольше, но, всё же, измерялся в пикосекундах. В таком случае частоты внутри импульса не будут возникать одновременно, а будут следовать друг за другом последовательно. В научных терминах это называется «чириканьем» (chirping) или же линейно-частотной модуляцией. Однако это порождает ещё одну проблему: несмотря на то, что технологии линейно-частотной модуляции достаточно хорошо развиты в инфракрасном диапазоне, возможность использования её в условиях терагерцового диапазона ещё недостаточно изучена.
«Мы обратили наш взор на технологии, используемые в микроволновом диапазоне», – говорит соавтор отчёта Егор Опарин. – Они активно используют металлические волноводы, которые, как правило, обладают высокой дисперсией, а это означает, что разные частоты излучения распространяются там с разными скоростями. Но в микроволновом диапазоне данные волноводы используются в одном режиме, или, иначе говоря, поле распределено в одной конфигурации, определённой узкой полосе частот и, как правило, в одной длине волны. Мы взяли аналогичный волновод с размером, подходящим для терагерцового диапазона, и пропустили через него широкополосный сигнал, чтобы он распространялся в разных конфигурациях. Благодаря такому подходу импульс стал более продолжительным, увеличившись от двух до примерно семи пикосекунд, что в три с половиной раза больше. Это и стало нашим решением».
Благодаря использованию волновода исследователям удалось увеличить длительность импульсов до необходимой длительности с теоретической точки зрения. Это позволило достичь интерференции между двумя линейно-частотными импульсами, которые вместе формируют последовательность импульсов.
«Что хорошо в этой последовательности импульсов – так это то, что она демонстрирует зависимость между структурой импульса во времени и в спектре, – говорит Опарин. – Таким образом, мы получаем временную форму, или же, проще говоря, колебания поля во времени, и спектральную форму, которая представляет эти колебания в частотной области. Скажем, у нас имеется три пика, три подструктуры во временной форме и три соответствующие подструктуры в спектральной форме. Используя специальный фильтр для удаления частей спектральной формы, мы можем обеспечить «моргание» во временной форме, и наоборот. Это может стать основой для сжатия данных с целью передачи в терагерцовом диапазоне».
