Топологічна антена для мереж 6G передає дані зі швидкістю терабіт

Дослідники з Сингапуру, Франції та США розробили компактну антену, яка може обробляти терагерцові сигнали для майбутніх мереж шостого покоління. Команда під керівництвом Ранджана Сінгха з Університету Нотр-Дам опублікувала результати своєї роботи у виданні Nature Photonics. Вчені стверджують, що після подальших удосконалень їхня розробка може стати основою для мереж 6G, які дозволять обмінюватися даними з безпрецедентною швидкістю.

Очікується, що мережі 6G забезпечать швидкість передачі даних близько одного терабіта за секунду. Це еквівалентно передачі приблизно половини обсягу пам'яті смартфона середнього класу за одну секунду. Для досягнення таких показників бездротові системи повинні працювати на терагерцових частотах, значно вищих за ті, що використовуються сучасними мережами 5G.

Однак перед тим, як терагерцові частоти можна буде надійно використовувати, потрібні суттєві покращення в антенах, які передають і приймають ці сигнали. У попередніх поколіннях бездротових технологій підвищення продуктивності часто досягалося шляхом створення більших антенних решіток або впровадження механічно складних компонентів з активним керуванням. Хоча ці підходи ефективні, вони збільшують вартість, складність та ризик відмови системи.

Для вирішення цієї проблеми команда Сінгха звернулася до топологічної фотоніки. Ця галузь вивчає штучні структури, які змушують світло рухатися захищеними шляхами. Ретельно структуруючи матеріали, дослідники можуть створювати компактні пристрої, де електромагнітні хвилі захищені від розсіювання та дефектів, навіть коли проходять гострі кути.

Щоб використати ці ефекти, команда розробила кремнієвий чіп з масивом трикутних отворів двох різних розмірів: 99 або 264 мікрометри в поперечнику. Розташовуючи менші та більші отвори у певних патернах, дослідники змогли контролювати, чи продовжує терагерцове випромінювання рухатися всередині чіпа, чи витікає назовні під точно визначеним кутом. Це контрольоване витікання створює конус вихідних терагерцових сигналів, що несуть інформацію, перетворюючи структуру на антену.

Коли терагерцове випромінювання витікає в різних точках вздовж антени, воно забезпечує як горизонтальне, так і вертикальне покриття. Працюючи як передавач, антена може охопити близько 75 відсотків тривимірного простору навколо себе. Це більш ніж у 30 разів перевищує покриття багатьох існуючих терагерцових антен. Та сама структура може також діяти як приймач, захоплюючи вхідні терагерцові сигнали в аналогічно широкому діапазоні та спрямовуючи їх на чіп.

Під час цих демонстрацій антена підтримувала швидкість передачі даних у сотні разів вищу, ніж у інших сучасних терагерцових пристроїв. Важливо, що все це досягається за допомогою повністю пасивної та відносно простої конструкції, де керування вбудоване безпосередньо в геометрію чіпа, а не делеговане зовнішнім рухомим частинам.

Команда Сінгха тепер планує дослідити, як кожен елемент терагерцової комунікаційної системи може бути інтегрований на одному чіпі.