23 июня 2020
Ученые факультета Фотоники и оптоинформатики Университета ИТМО разработали метод кодирования информации в терагерцовом импульсе. Этот метод может быть использован при создании устройств беспроводной передачи данных в стандарте 6G. Такие системы позволят ускорить обмен данными на два-три порядка.
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 международной лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий 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 сулит пользователям доселе невиданную скорость беспроводной передачи информации. Между тем, пока в мире предпринимаются первые шаги к освоению сетей нового поколения, ученые уже работают над тем, что в будущем их заменит.
Публикацию в Scientific Reports прокомментировал соавтор статьи - Егор Опарин, студент 3-го курса бакалавриата факультета Фотоники и оптоинформатики, и член научной группы лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий. Егор обучается по программе «Оптические и квантовые технологии в коммуникациях». Представленной в статье тематикой Егор начал заниматься ещё на втором курсе, когда всерьёз заинтересовался фемтотехнологиями, и пришёл в лабораторию на практику.
«Речь идет о технологиях, которые лягут в основу стандарта 6G, - рассказывает Егор - 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».
Команда лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий.
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, - поясняет Егор, - это сотни микрон, соответственно в него можно зашить куда больше информационных каналов одновременно, разумеется при определенных технических решениях».
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, - рассказывает Егор, - буквально одно-два колебания в импульсе. Он очень короткий и выглядят на графике как такой узкий пик. Интерферировать импульсы с подобными характеристиками колебания поля достаточно сложно, так как тяжело добиться их перекрытия».
Научная группа лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий 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
Иллюстрация из статьи. Схема экспериментальной установки для создания ТГц “гребенок”. Источник: Scientific Reports
«Нам пришлось немного попридумывать. 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».
Егор Опарин, студент 3-го курса факультета фотоники и оптоинформатики
«В чем чудо этой «гребенки», - поясняет Егор, - 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».
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
Публикацию в Scientific Reports прокомментировал соавтор статьи - Егор Опарин, студент 3-го курса бакалавриата факультета Фотоники и оптоинформатики, и член научной группы лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий. Егор обучается по программе «Оптические и квантовые технологии в коммуникациях». Представленной в статье тематикой Егор начал заниматься ещё на втором курсе, когда всерьёз заинтересовался фемтотехнологиями, и пришёл в лабораторию на практику.
«Речь идет о технологиях, которые лягут в основу стандарта 6G, - рассказывает Егор - 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».
Команда лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий.
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, - поясняет Егор, - это сотни микрон, соответственно в него можно зашить куда больше информационных каналов одновременно, разумеется при определенных технических решениях».
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, - рассказывает Егор, - буквально одно-два колебания в импульсе. Он очень короткий и выглядят на графике как такой узкий пик. Интерферировать импульсы с подобными характеристиками колебания поля достаточно сложно, так как тяжело добиться их перекрытия».
Научная группа лаборатории Фемтосекундной оптики и фемтотехнологий 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
Иллюстрация из статьи. Схема экспериментальной установки для создания ТГц “гребенок”. Источник: Scientific Reports
«Нам пришлось немного попридумывать. 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».
Егор Опарин, студент 3-го курса факультета фотоники и оптоинформатики
«В чем чудо этой «гребенки», - поясняет Егор, - 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».
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