Pasul uriaș făcut de Japonia către era 6G: internet de 112 Gbps pe un cip de dimensiunea unui bob de orez

O echipă de cercetători din Japonia a dezvoltat un sistem wireless revoluționar, bazat pe tehnologia fotonică, reușind să transmită date cu o viteză record de 112 Gbps în banda terahertz. Folosind un microcip de doar 5 milimetri, de 90 de ori mai mic decât componentele convenționale, această realizare istorică depășește limitările electronice actuale și pune bazele infrastructurii pentru viitoarele rețele mobile 6G.

Japonia face un pas uriaș către tehnologia 6G: Cercetătorii au atins o viteză record de 112 Gbps folosind cipuri miniaturizate

O echipă de oameni de știință din Japonia a reușit o performanță tehnologică remarcabilă, care deschide calea către implementarea viitoarelor rețele de telecomunicații 6G. Cercetătorii au dezvoltat un sistem miniaturizat de comunicații wireless în bandă terahertz, capabil să transmită date cu o viteză uluitoare de 112 gigabiți pe secundă (Gbps).

Această realizare este considerată un punct de cotitură pentru industria globală de profil, deoarece noul dispozitiv de transmisie este de aproximativ 90 de ori mai mic decât cipurile convenționale utilizate în prezent în experimente similare.

Studiul, care a fost publicat recent în prestigioasa revistă științifică Communications Engineering, detaliază modul în care specialiștii au depășit barierele fizice ale electronicii clasice.

Prin utilizarea frecvențelor ultra-înalte, echipa niponă a demonstrat că viitorul conexiunilor mobile nu se va mai baza doar pe cabluri subterane de fibră optică, ci pe legături aeriene de mare viteză, capabile să susțină un volum gigantic de date, scrie LiveScience.

Depășirea limitărilor electronice actuale prin utilizarea spectrului terahertz și a fotonicii avansate

În prezent, deși rețelele 5G oferă viteze considerabile pentru utilizatorii obișnuiți – cu o medie de aproximativ 300 de megabiți pe secundă (Mbps) în regiuni precum Statele Unite, spectrul radio actual devine rapid aglomerat.

Sub pragul de frecvență de 350 de gigahertzi (GHz), benzile de emisie sunt saturate de semnalele 5G existente, ceea ce limitează capacitatea operatorilor de a crește lățimea de bandă pentru generațiile viitoare. Din acest motiv, inginerii din întreaga lume își îndreaptă atenția către undele terahertz, situate în spectrul superior, de peste 350 GHz.

Problema majoră a electronicii convenționale apare atunci când specialiștii încearcă să utilizeze aceste frecvențe ultra-înalte. Semnalele electrice standard suferă o degradare severă din cauza lipsei de putere și a așa-numitului „zgomot de fază” – adică fluctuații parazite care fac extrem de dificilă separarea semnalului util de interferențe. Din această cauză, sistemele electronice obișnuite nu pot menține stabilitatea transmisiei la frecvențe de peste 350 GHz.

Pentru a rezolva această problemă, cercetătorii japonezi au apelat la fotonică, o tehnologie inovatoare care utilizează lumina, în locul electronilor, pentru a transporta informația digitală. Totuși, sistemele fotonice tradiționale aveau și ele un mare dezavantaj: necesitau echipamente laser uriașe și o aliniere optică de o precizie microscopică.

Orice mică vibrație dintr-un scenariu real de utilizare ar fi putut deconecta rețeaua. Noua abordare bazată pe micro-piepteni optici (microcombs) a eliminat însă aceste neajunsuri, oferind o stabilitate spectrală fără precedent și reducând la minimum zgomotul de fază.

O realizare inginerească de proporții microscopice: sudarea fibrei optice direct pe microcip

Secretul din spatele acestui succes tehnologic constă într-o metodă revoluționară de fabricare. Oamenii de știință au reușit să lipească direct o fibră optică de un microrezonator din nitrură de siliciu.

Acest microrezonator este o structură fotonică specială care transformă o singură rază laser într-un ansamblu format din milioane de linii laser individuale, perfect calibrate. Prin fuziunea directă dintre fibra optică și structura de micro-pieptene, echipa a eliminat complet necesitatea microscoapelor optice complexe și a sistemelor de aliniere pe mai multe axe care făceau dispozitivele anterioare mult prea fragile pentru utilizarea în masă.

Dimensiunile noului emițător sunt cu adevărat impresionante. În timp ce un sistem convențional de micro-piepteni optici măsoară aproximativ 450 de milimetri în diametru, noul transmițător japonez are o lățime de doar 5 milimetri. Această reducere drastică a spațiului ocupat face ca tehnologia să fie extrem de compactă și ușor de integrat în echipamentele comerciale viitoare.

În plus, inginerii au integrat în acest microcip și o funcție avansată de control al temperaturii. Deoarece variațiile termice din mediul exterior pot afecta proprietățile fizice ale componentelor optice, acest sistem de control menține neschimbate caracteristicile de rezonanță ale cipului. Prin urmare, dispozitivul poate funcționa în condiții meteo variabile fără să piardă semnalul sau să reducă calitatea transmisiei.

Viteze de peste 100 Gbps în banda de 560 GHz și perspectivele comerciale pentru anul 2030

Pentru a testa capacitățile acestui sistem minuscul, cercetătorii au generat doi purtători de semnal optic cu o stabilitate extrem de ridicată și un raport semnal-zgomot excelent. Ei au codificat datele în aceste semnale folosind formate avansate de modulație, cum ar fi QPSK și 16QAM.

Aceste tehnici permit comprimarea unei cantități masive de informații în cadrul aceleiași unde de transmisie. Ulterior, prin intermediul unei tehnici numite fotomixaj, semnalele optice au fost convertite în unde terahertz la frecvența record de 560 GHz și trimise către un receptor.

Rezultatele experimentale au fost remarcabile:

• Folosind formatul de modulație QPSK, sistemul a atins o viteză stabilă de 84 Gbps.
• Prin trecerea la formatul mai complex 16QAM, rata de transfer a crescut până la valoarea record de 112 Gbps.

Este pentru prima dată când o asemenea viteză este atinsă la o frecvență care depășește pragul de 420 GHz, demonstrând că noua tehnologie poate învinge limitările fizice ale trecutului. Coautorul studiului, profesorul Takeshi Yasui de la Institutul de Fotonică Post-LED din cadrul Universității din Tokushima, a declarat că acest rezultat reprezintă un pas major către sistemele wireless 6G practice și către rețelele de transport mobil de ultra-mare viteză (backhaul).

Deși experții estimează că primele rețele comerciale 6G vor fi lansate la nivel global în jurul anului 2030 sau chiar mai târziu, această descoperire pune bazele infrastructurii necesare. În viitor, oamenii de știință preconizează că rețelele 6G vor atinge o viteză maximă teoretică de 1 terabit per secundă (Tbps), ceea ce înseamnă o conexiune de 50 de ori mai rapidă decât limita teoretică a tehnologiei 5G.

Prin crearea unui sistem capabil să susțină o rețea de transport wireless de mare viteză (backhaul), operatorii de telecomunicații nu vor mai fi obligați să îngroape mii de kilometri de cabluri de fibră optică pentru a interconecta turnurile de transmisie. Planurile de viitor ale echipei din Japonia includ optimizarea continuă a cipului pentru a reduce și mai mult zgomotul de fază și pentru a crește puterea de ieșire, deschizând larg porțile către o eră a internetului instantaneu.