В журнале Nature Communications исследователи сообщают о передаче двух видеосигналов в реальном времени через терагерцовый мультиплексор с совокупной скоростью передачи данных 50 гигабит в секунду, что примерно в 100 раз превышает оптимальную скорость передачи данных самой быстрой сотовой сети на сегодняшний день.«Мы показали, что можем передавать отдельные потоки данных на терагерцовых волнах на очень высоких скоростях и с очень низким коэффициентом ошибок», — сказал Дэниел Миттлман, профессор инженерной школы Брауна и автор статьи. «Это первый раз, когда кто-либо охарактеризовал систему терагерцового мультиплексирования с использованием реальных данных, и наши результаты показывают, что наш подход может быть жизнеспособным в будущих терагерцовых беспроводных сетях».Современные сети передачи голоса и данных используют микроволны для беспроводной передачи сигналов. Но потребность в передаче данных быстро становится больше, чем могут удовлетворить микроволновые сети.
Волны терагерцового диапазона имеют более высокие частоты, чем микроволны, и поэтому обладают гораздо большей способностью передавать данные. Однако ученые только начали экспериментировать с терагерцовыми частотами, а многие из основных компонентов, необходимых для терагерцовой связи, еще не существуют.
Система мультиплексирования и демультиплексирования (также известная как мультиплексирование / демультиплексирование) является одним из таких основных компонентов. Это технология, которая позволяет по одному кабелю передавать несколько телеканалов или сотням пользователей получать доступ к беспроводной сети Wi-Fi.В подходе мультиплексирования / демультиплексирования, разработанном Миттлманом и его коллегами, используются две металлические пластины, расположенные параллельно друг другу, чтобы сформировать волновод. На одной из пластин прорезана прорезь.
Когда терагерцовые волны проходят через волновод, часть излучения выходит из щели. Угол выхода лучей излучения зависит от частоты волны.
«Мы можем поместить несколько волн на нескольких разных частотах — каждая из них несет поток данных — в волновод, и они не будут мешать друг другу, потому что это разные частоты; это мультиплексирование», — сказал Миттлман. «Каждая из этих частот выходит из щели под разным углом, разделяя потоки данных; это демультиплексирование».Из-за природы терагерцовых волн сигналы в сетях связи терагерцового диапазона будут распространяться как направленные лучи, а не всенаправленные передачи, как в существующих беспроводных системах. Это направленное соотношение между углом распространения и частотой является ключом к включению мультиплексирования / демультиплексирования в терагерцовых системах.
Пользователь в определенном месте (и, следовательно, под определенным углом от системы мультиплексирования) будет общаться на определенной частоте.В 2015 году лаборатория Миттлмана впервые опубликовала статью, описывающую их концепцию волновода.
Для этой первоначальной работы команда использовала широкополосный источник света терагерцового диапазона, чтобы подтвердить, что разные частоты действительно выходят из устройства под разными углами.Хотя это было эффективным доказательством концепции, сказал Миттлман, эта последняя работа стала критическим этапом тестирования устройства с использованием реальных данных.Работая с Гийомом Дюкурно из Institut d’Electronique de Microelectronique et de Nanotechnologie, CNRS / Университет Лилля, Франция, исследователи кодировали две телевизионные передачи высокой четкости на терагерцовых волнах двух разных частот: 264,7 ГГц и 322,5 ГГц. Затем они передали обе частоты вместе в систему мультиплексора с телевизионным приемником, настроенным на обнаружение сигналов по мере их выхода из устройства.
Когда исследователи выровняли свой приемник под углом, под которым излучались волны 264,7 ГГц, они увидели первый канал. Когда они выставили 322,5 ГГц, они увидели вторую.Дальнейшие эксперименты показали, что передача без ошибок происходила на скорости до 10 гигабит в секунду, что намного выше, чем стандартные скорости сегодняшнего Wi-Fi.
Частота ошибок несколько увеличилась, когда скорость была увеличена до 50 гигабит в секунду (25 гигабит на канал), но все еще находилась в пределах диапазона, который можно исправить с помощью прямого исправления ошибок, который обычно используется в современных сетях связи.Миттлман говорит, что помимо демонстрации того, что устройство работает, исследование выявило некоторые удивительные подробности о передаче данных на терагерцовых волнах.
Когда терагерцовая волна модулируется для кодирования данных, то есть включается и выключается для создания нулей и единиц, основная волна сопровождается частотами боковых полос, которые также должны быть обнаружены приемником для передачи всех данных. Исследование показало, что угол наклона детектора по отношению к боковым полосам важен для снижения количества ошибок.«Если угол немного отклоняется, мы можем обнаружить полную мощность сигнала, но мы получаем одну боковую полосу немного лучше, чем другую, что увеличивает частоту ошибок». Миттлман объяснил. «Поэтому важно иметь правильный угол».
По словам Миттлмана, подобные фундаментальные детали будут иметь решающее значение, когда придет время приступить к проектированию архитектуры для полных систем данных терагерцового диапазона. «Это то, чего мы не ожидали, и это показывает, насколько важно характеризовать эти системы, используя данные, а не просто немодулированный источник излучения».Исследователи планируют продолжить разработку этого и других терагерцовых компонентов. Миттлман недавно получил лицензию от FCC на проведение испытаний на открытом воздухе на терагерцовых частотах в кампусе Университета Брауна.
«Мы думаем, что у нас есть лицензия на самую высокую частоту, которая в настоящее время выдана FCC, и мы надеемся, что это знак того, что агентство начинает серьезно задумываться о терагерцовой связи», — сказал Миттлман. «Компании будут сопротивляться развитию терагерцовых технологий до тех пор, пока регулирующие органы не предпримут серьезных усилий по выделению полос частот для конкретных целей, так что это шаг в правильном направлении».Эта работа была поддержана Национальным научным фондом США, Исследовательским офисом армии США, Фондом W.M.
Фонд Кека и французское агентство Agence Nationale de la Recherche в рамках исследовательских грантов COM’TONIQ и TERALINKS и в рамках программы CPER «Фотоника для общества», разработанной в регионе О-де-Франс.