Прорывная технология: терабитная когерентная оптическая связь в свободном пространстве на основе микрогребней Platicon открывает эру 6G

С тех пор как в 2005 году была присуждена Нобелевская премия по физике за изобретение оптических частотных гребней, они стали основной технологией в информационных системах. Оптический частотный гребень состоит из ряда равномерно расположенных частотных составляющих со стабильными фазовыми соотношениями и широко применяется в таких областях, как высокоточная наука о временных частотах, сверхстабильная генерация микроволнового излучения, астрономическая спектроскопия и оптическая связь. В последние годы быстрое развитие полупроводниковых технологий микро-нанопроизводства стимулировало быстрое развитие интегрированных частотных гребней, что привело к новым физическим исследованиям и инженерным решениям. Интегрированные оптические гребни в настоящее время широко используются в оптических вычислениях, фотонных микроволнах, лидарах, квантовой оптике, терагерцовой фотонике и других передовых областях.

Недавно Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе сообщил о новаторской работе под названием «Когерентные оптические связи в свободном пространстве терабит/с с помощью платиконовых частотных микрогребней» в Свет eLight . Это исследование продемонстрировало первое в мире использование частотных микрогребней Platicon на уровне чипа для достижения терабитной когерентной оптической связи в свободном пространстве. В смешанном внутреннем и наружном соединении протяженностью 160 метров технология достигла скорости передачи данных до 8,21 Тбит/с, оставаясь стабильной в условиях турбулентности. Это достижение предлагает новое решение для удовлетворения высоких требований к пропускной способности сетей 6G, интегрированной связи космос-воздух-земля-море и спутниковых каналов.

Актуальность: Проблемы и важность оптической связи в свободном пространстве

С быстрым развитием 5G и будущих сетей 6G спрос на пропускную способность связи растет в геометрической прогрессии. Ресурсы традиционного радиочастотного (РЧ) спектра приближаются к насыщению. Оптическая связь в свободном пространстве (FSO), с ее высокой пропускной способностью, безопасностью и низкими затратами на развертывание, стала ключевой технологией, позволяющей преодолеть узкое место «последней мили» и создать «космическую информационную супермагистраль». Тем не менее, существующие системы FSO полагаются на многолазерные решетки, сталкиваясь с такими проблемами, как большой объем, высокое энергопотребление и сложная фазовая синхронизация, в то время как атмосферная турбулентность и ошибки наведения могут привести к ухудшению сигнала.

Интегрированные оптические частотные гребни с микрорезонатором, которые генерируют сотни оптических носителей с фазовой автоподстройкой частоты из одного лазера накачки, обеспечивают идеальную платформу для параллельной передачи данных. Тем не менее, применение традиционных микрогребней в линиях со свободным пространством было ограничено проблемами эффективности преобразования и равномерности мощности. Микрогребень Platicon, представленный в этом исследовании, успешно решает эти проблемы благодаря уникальному спектральному формированию и эффективному преобразованию энергии.

Технический прорыв: микрогребни Platicon и терабитная пропускаемость

Исследовательская группа разработала частотный микрогребень Platicon на основе микрокольцевого резонатора на основе нитрида кремния (Si₃N₄). Этот микрогребень генерирует плоский спектр приблизительной прямоугольной формы через нормальные дисперсионные микрополости, охватывающие C/L-диапазон 12,5 ТГц и содержащие более 55 оптических несущих с разнесением каналов 115 ГГц. Оптическое отношение несущей к шуму (OCNR) достигает 50 дБ, что обеспечивает основу для мультиплексирования с разделением по длине волны высокой плотности (WDM) и поляризационного мультиплексирования (PDM).

В экспериментах команда использовала 16-state квадратурную амплитудную модуляцию (16-QAM) с символьной скоростью 20 Гбит/с на несущую, управляя IQ-модулятором с двойной поляризацией для передачи данных по 160-метровому атмосферному каналу. Результаты показали, что даже при вызванном турбулентностью сцинтилляции и ошибках наведения, коэффициент битовых ошибок (BER) системы оставался ниже порога прямой коррекции ошибок (FEC) (4,5×10⁻³) со спектральной эффективностью 1,29 бит/с/Гц.

Инновационные особенности: устойчивость к турбулентности и восстановление несущей фазы

Чтобы смягчить атмосферную турбулентность, команда разработала активную систему стабилизации луча, уменьшающую колебания положения луча в 10 раз. Кроме того, они разработали первую в мире технологию восстановления несущей фазы на основе микрогребенки, которая отслеживает флуктуации фазы несущей и компенсирует в режиме реального времени фазовый шум, вызванный турбулентностью.

По сравнению с коммерческими лазерными массивами, микрогребень Platicon генерирует всего 0,5 дБ дополнительного снижения мощности при том же BER и значительно снижает сложность системы за счет интеграции на уровне чипа.

Перспективы применения: ключевая поддержка 6G и интегрированных сетей космос-воздух-земля-море

Транспортная сеть с высокой пропускной способностью для сетей 6G: Микрогребни Platicon могут заменить традиционные мультилазерные модули в базовых станциях, обеспечивая недорогие транспортные линии высокой плотности на уровне терабит для гибридных сетей миллиметрового диапазона и радиоволокон (RoF).

Спутниковое и наземное высокоскоростное соединение: Эта технология подходит для межспутниковой лазерной связи и передачи со спутника на землю на низкой околоземной орбите (НОО), помогая в создании глобальной широкополосной интегрированной сети «космос-воздух-земля-море».

Экстренная связь и сети дронов: При оказании помощи при стихийных бедствиях или в отдаленных районах высокоскоростная связь может быть достигнута на расстоянии нескольких километров без развертывания оптоволокна, что поддерживает совместную работу в режиме реального времени в роях дронов.

Профессор Ван Вэньтин отметил, что в условиях непрерывного технологического прогресса передача космической информации стала важнейшим направлением развития современных коммуникационных и спутниковых технологий. В последние годы фотонные чипы, как новая технология, постепенно становятся основной движущей силой революции в области передачи космической информации, помогая построить глобальную космическую информационную «супермагистраль». Следующие шаги будут включать в себя повышение эффективности преобразования и несущей мощности микрогребней для поддержки передачи на большие расстояния (десятки километров), а также изучение интеграции с алгоритмами обработки сигналов, управляемыми искусственным интеллектом, для дальнейшей оптимизации использования спектра.

Заключение

Успешная валидация космической оптической связи на основе микрогребней Platicon знаменует собой ключевой шаг на пути к высоконадежной оптической связи в свободном пространстве на основе чипов. По мере того, как процесс стандартизации 6G ускоряется, этот прорыв не только обеспечивает новую архитектуру физического уровня для будущих сетей, но и может изменить ландшафт глобальной коммуникационной инфраструктуры.

###

Ссылки

ДОЙ

10.1186/с43593-025-00082-0

URL-адрес оригинального источника

https://doi.org/10.1186/s43593-025-00082-0

Информация о финансировании

Эта работа была поддержана Управлением военно-морских исследований (N00014-16-1-2094) и Национальным научным фондом (1824568, 1810506, 1741707 и 1919355).

Около Свет eLight

Свет eLight стремится привлечь лучшие рукописи, широко охватывающие все подобласти оптики, фотоники и электромагнетизма. В частности, мы фокусируемся на тех новых темах и междисциплинарных исследованиях, которые связаны с оптикой.