Сегодня ученые во всем мире работают над тем, чтобы перевести передачу данных в терагерцовый диапазон, что позволит отправлять и получать информацию намного быстрее, чем посредством уже существующих систем. Однако проблема заключается в том, что кодировать информацию на такой длине волны куда сложнее, нежели в гигагерцовом диапазоне, используемом в технологии 5G. Группе ученых, работающих в Университете ИТМО, удалось продемонстрировать способ модификации терагерцового импульса, который позволит передавать с его помощью информацию. Работа опубликована в журнале Scientific Reports.

Телекоммуникационные компании наиболее развитых стран постепенно начинают переходить на новый стандарт обмена данными 5G, который обещает пользователям невиданную до этих пор скорость беспроводной передачи информации. Между тем, пока в мире предпринимаются первые шаги к освоению сетей нового поколения, ученые уже работают над тем, что заменит их в будущем.

«Речь идет о технологиях, которые лягут в основу стандарта 6G, ― рассказывает Егор Опарин, студент 3 курса бакалавриата факультета фотоники и оптоинформатики, а также член научной группы лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий. ― Он позволит увеличить скорость передачи информации в 100 – 1000 раз по сравнению с только внедряемым 5G. Это потребует новых технологических решений, в частности переход на новый, терагерцовый, диапазон».

Егор обучается на программе «Оптические и квантовые технологии в коммуникациях». Этой тематикой он начал заниматься еще на втором курсе, когда всерьез заинтересовался фемтотехнологиями и пришел в лабораторию на практику. А уже сейчас студент стал соавтором исследования, опубликованного в престижном международном журнале.

Чем поможет переход на терагерцовый диапазон? Повышение частоты излучения, используемого для передачи информации, позволит увеличить пропускную способность каналов связи, а также увеличить быстродействие. Сегодня на примере инфракрасного диапазона отработана технология одновременной передачи множества каналов информации всего по одному физическому каналу. Эта технология строится на взаимодействии двух широкополосных инфракрасных импульсов с шириной спектра в десятки нанометров. В терагерцовом диапазоне ширина спектра таких импульсов гораздо больше.

«Диапазон от 300 до 3000 микрон ― это сотни микрон, соответственно в него можно зашить куда больше информационных каналов одновременно, разумеется, при определенных технических решениях», ― поясняет Егор.

Проблема «гребенки»

Однако в этих технических решениях и состоит загвоздка. Прежде чем всерьез говорить о создании устройств, поддерживающих технологию 6G, ученым и инженерам предстоит решить очень много сложных задач. Одна из них ― обеспечить интерференцию двух импульсов и получить так называемую «гребенку», или последовательность импульсов, с помощью которой и кодируется информация.

«В терагерцовом диапазоне в импульсах, как правило, содержится малое число колебаний поля, буквально одно-два колебания в импульсе, ― рассказывает Егор. ― Он очень короткий и выглядят на графике как узкий пик. Интерферировать импульсы с подобными характеристиками колебания поля достаточно сложно, так как тяжело добиться их перекрытия».

Группа ученых, работающих в Университете ИТМО, предложила растянуть импульс во времени таким образом, чтобы его протяженность все еще измерялась пикосекундами, но длился бы он в несколько раз дольше. В таком случае разные частоты будут присутствовать в импульсе не сразу, а последовательно сменять друг друга. На языке науки это называется чирпирование, или линейно-частотная модуляция. Однако и здесь существует сложность ― если в инфракрасном диапазоне технологии чипирования отработаны хорошо, то для терагерцового отсутствует развитая материальная база.

Металлический волновод

«Нам пришлось проявить фантазию и поискать нетривиальный подход, ― рассказывает Егор Опарин. ― Мы обратились к технологиям, которые используются в СВЧ-диапазоне. Там активно используют металлические волноводы, у которых, как правило, высокая дисперсия, то есть разные частоты излучения там распространяются с разной скоростью. Однако в СВЧ диапазоне подобные волноводы используются в одномодовом режиме, то есть поле там распространяется только в одной конфигурации и в определенном узком частотном диапазоне, и, как правило, на одной длине волны. Мы взяли сходный волновод, созданный в размерах, подходящих для терагерцового диапазона, стрельнули в него широкополосным излучением так, чтобы оно распространялось в разных конфигурациях, и за счет этого импульс сильно растянулся во времени, с двух до порядка семи пикосекунд, то есть в три с половиной раза. Это и стало для нас решением».

Используя волновод, ученые смогли растянуть импульсы до необходимых с точки зрения теории значений. Это позволило добиться взаимодействия двух таких чирпированных импульсов, что создало эффект «гребенки».

«В чем чудо этой "гребенки"? В ней наблюдается зависимость структуры импульса во времени и в спектре. То есть у нас есть временная форма импульса, проще говоря, колебание поля во времени, и спектральная, то есть колебание в спектре терагерцовых частот. Допустим, у нас есть три пика, три субструктуры во временной форме, и, соответственно, три субструктуры в спектральной форме. Вырезая специальным фильтром части спектральной формы, мы можем “мигать” во временной форме и наоборот. Таким образом можно построить кодирование информации в терагерцовом импульсе», ― рассказывает один из авторов исследования.

Статья: Xinrui Liu, Maksim Melnik, Maria Zhukova, Egor Oparin, Joel J. P. C. Rodrigues, Anton Tcypkin, Sergei Kozlov. Formation of gigahertz pulse train by chirped terahertz pulses interference. Scientific Reports, 2020/10.1038/s41598-020-66437-4