Специалисты известной компании Nippon Telephone совместно с учеными Токийского технологического института недавно успешно разработали первый лабораторный прототип микросхемы для скоростного беспроводного обмена данными в терагерцовом диапазоне на частоте целых 300 ГГц. Применение данной технологии позволило исследователям достичь скорости передачи информации, составляющей 100 гигабит в секунду. Несмотря на то что терагерцовый диапазон в настоящее время практически не применяется в современных системах связи из-за отсутствия необходимых компонентов и готовых узлов, японские ученые смогли преодолеть это препятствие, разработав ключевой элемент — радиочастотный смеситель.

Основой нового устройства являются транзисторы, изготовленные из фосфида индия (Indium phosphide high electron mobility transistor, InP-HEMT), материала, обладающего высоким значением показателя подвижности электронов. Использование таких транзисторов позволило увеличить ширину полосы пропускания, что обычно является большой проблемой при работе в диапазоне 300 ГГц. Помимо этого, использование новых транзисторов позволило увеличить значение соотношения сигнал/шум, и все это вместе обеспечило высочайшую скорость беспроводной передачи данных.

Однако, диапазон 300 ГГц не ограничен лишь одной полосой, в нем можно использовать сразу несколько субдиапазонов (каналов) и технологии мультиплексирования, такие, как MIMO и OAM. Это, как ожидают ученые, позволит получить скорость передачи информации на уровне 400 гигабит в секунду, но для этого потребуются дополнительные высокоскоростные чипы, которые также могут быть построены на базе InP-HEMT-транзисторов.

И в заключение следует отметить, что данная технология, помимо области беспроводных коммуникаций, может быть успешно использования для проведения съемки в терагерцовом диапазоне, в радарных и других технологиях, которые также работают в данном диапазоне электромагнитного спектра.

Для любознательных: Эпоха беспроводного лазера: чипы на 100 Гбит/с меняют реальность

Представьте, что весь сезон любимого сериала в ультравысоком качестве скачивается на ваш смартфон за одну секунду. Без проводов, без задержек, в любом месте. Сегодня скорость 100 гигабит в секунду (Гбит/с) — это уже не фантастика, а технологический рубеж, к которому вплотную подошли ведущие лаборатории мира.

Сердцем этой революции стали крошечные кремниевые чипы, способные генерировать и обрабатывать терагерцевые сигналы.

В чем технический прорыв?

Современный Wi-Fi (даже новейший Wi-Fi 7) и сети 5G работают на частотах от нескольких гигагерц до нескольких десятков гигагерц. Их теоретический предел скорости обычно ограничивается десятками гигабит. Чтобы перешагнуть барьер в 100 Гбит/с и приблизиться к скоростям терабитного класса, инженерам пришлось совершить три ключевых прорыва:

• Переход в терагерцевый (THz) диапазон. Новые чипы работают на частотах от 100 ГГц до 1 ТГц. В этом спектре скрыты огромные “полосы пропускания”, способные переносить гигантские массивы данных.
• Радиофотоника. Вместо классической кремниевой микроэлектроники ученые начали объединять оптические (лазерные) технологии с радиочастотными прямо на одном кристалле.
• Фазированные антенные решетки. Сигналы высокой частоты быстро затухают в воздухе и боятся препятствий. Новые чипы мгновенно “фокусируют” радиолуч точно на принимающее устройство, огибая преграды.

А что в мире? Лидеры гонки

Глобальная гонка за беспроводной “соточкой” развернулась между США, Китаем, Японией и Европой. Технология станет фундаментом для будущих стандартов 6G.

• Япония: Консорциум из крупнейших телеком-гигантов (включая DOCOMO и NTT) успешно представил экспериментальное устройство, передающее данные на скорости 100 Гбит/с на расстоянии до 100 метров. Они используют субтерагерцевый диапазон (100–300 ГГц).
• Китай: Китайские исследовательские институты (включая лаборатории Huawei) регулярно отчитываются о рекордах. Им удалось достичь беспроводной передачи данных на скоростях свыше 200 Гбит/с в лабораторных условиях, используя терагерцевые технологии лазерной модуляции.
• США: Проекты под эгидой DARPA и разработки таких гигантов, как Qualcomm и Intel, сфокусированы на коммерциализации чипов. Американские инженеры делают ставку на интеграцию терагерцевых передатчиков в стандартные кремниевые процессоры по технологии CMOS, что сделает их дешевыми в производстве.

А что в России? Разработки и перспективы

В России развитие терагерцевых технологий и радиофотоники идет преимущественно в академической среде и специализированных научно-производственных центрах. Отрасль сталкивается со сложными вызовами, но имеет сильную теоретическую базу.

Ключевые точки роста

• Радиофотоника в ИТМО и МФТИ: Российские ученые из ведущих институтов активно разрабатывают компоненты для радиофотонных систем. Исследования ведутся в области генерации терагерцевого излучения с помощью фемтосекундных лазеров.
• Разработки НИУ ВШЭ и ИФМ РАН: Нижегородские ученые и московские исследователи работают над созданием полупроводниковых источников и приемников терагерцевого диапазона, которые в будущем могут лечь в основу отечественных высокоскоростных чипов.
• Фокус на оптоволокно и атмосферную оптику: Пока микроэлектронные фабрики осваивают новые техпроцессы, в России альтернативой беспроводным чипам выступают системы ВОЛС (волоконно-оптические линии) и лазерная связь через атмосферу (FSO — Free Space Optics). Отечественные лазерные терминалы связи уже способны передавать данные между зданиями или со спутниками на скоростях в десятки гигабит.

Главные вызовы для РФ

Основная сложность для России сегодня — это отсутствие собственных фабрик сверхмалого нанометрового техпроцесса (менее 10-7 нм) для массового производства таких высокочастотных кремниевых чипов. Поэтому российские инженеры чаще фокусируются на создании гибридных систем или уникальной компонентной базы для научных и военных нужд.

Где это будет применяться?

Скорость в 100 Гбит/с нужна не только для того, чтобы быстрее скачивать мемы. Она изменит целые индустрии:

• Беспроводные дата-центры. Больше никаких километров кабелей под фальшполом. Стойки с серверами будут обмениваться терабайтами данных “по воздуху”.
• Медицина будущего. Мгновенная передача голографических 3D-снимков органов в реальном времени во время удаленных операций.
• Автопилот и “умный город”. Тысячи беспилотных автомобилей смогут одновременно обмениваться тяжелым видеопотоком друг с другом и с дорожной инфраструктурой без малейших задержек.
• Метавселенные и XR. Очки дополненной и виртуальной реальности станут легкими и избавятся от проводов, так как вся графика будет мгновенно стримиться с мощного домашнего сервера или из облака.

Мир стоит на пороге невидимой кабельной революции. И тот, кто первым научится массово выпускать дешевые терагерцевые чипы, станет технологическим лидером следующего десятилетия.