El concepto de un relé transparente y la conmutación de señales de onda de terahercios mediante conversión directa de terahercios a óptica y control de longitud de onda óptica. Fuente: Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones (NICT), Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd., Instituto de Tecnología de Nagoya y Universidad de Waseda
Un equipo integrado por investigadores del Instituto Nacional de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones; Sumitomo Osaka Cemento Co., Ltd.; Instituto de Tecnología de Nagoya; y la Universidad de Waseda desarrollaron conjuntamente el primer sistema de retransmisión transparente del mundo, enrutando y conmutando señales de ondas de terahercios de alta velocidad a diferentes ubicaciones.
Se demostró con éxito la conversión directa de una señal de onda de 32 Gb/s terahercios en la banda de 285 GHz a fibra óptica y su relé transparente y la conmutación a diferentes puntos de acceso en intervalos de tiempo ultracortos.
Las tecnologías clave incluyen un modulador óptico de baja pérdida recientemente desarrollado para la conversión directa de señales de terahercios en señales ópticas, y tecnología inalámbrica de fibra adaptativa para conmutación ultrarrápida de señales de terahercios. El sistema desarrollado supera las deficiencias de la comunicación por radio de terahercios, como la gran pérdida de espacio libre, la baja penetración y el alcance de comunicación limitado, allanando el camino para la implementación de la comunicación de terahercios más allá de las redes 5G y 6G.
Los resultados de esta demostración fueron publicados como un artículo obsoleto en The 2023 Conferencia Internacional sobre Comunicaciones de Fibra Óptica (OFC 2023).
Fondo de terahercios
Las frecuencias de radio de terahercios son candidatas prometedoras para comunicaciones de velocidad de datos ultra alta en redes más allá de las redes 5G y 6G. Una ranura de 160 GHz en la banda de 275–450 GHz ha estado disponible recientemente para servicios móviles y fijos. Sin embargo, las altas pérdidas de espacio libre y la escasa penetración siguen siendo cuellos de botella, lo que dificulta la transmisión de señales a largas distancias, como desde el exterior al interior o en entornos obstruidos.
La transmisión y el enrutamiento transparentes de señales de terahercios entre diferentes ubicaciones son fundamentales para superar estas desventajas y ampliar el rango de comunicación. Sin embargo, estas funciones no pueden implementarse utilizando las tecnologías electrónicas actuales. Además, el estrecho ancho de haz de las señales de terahercios dificulta lograr una comunicación ininterrumpida cuando los usuarios están en movimiento. Cambiar la señal de terahercios entre diferentes direcciones y ubicaciones es fundamental para mantener la comunicación con los usuarios finales.
Sin embargo, este problema crítico aún no se ha resuelto utilizando tecnologías electrónicas o fotónicas. También es importante encender y apagar la emisión de señales de terahercios a intervalos adecuados para ahorrar energía y reducir las interferencias.
Logros de la ciencia
En este estudio, el equipo demostró el primer sistema transparente de reenvío, enrutamiento y conmutación de señales de terahercios en la banda de 285 GHz utilizando dos tecnologías clave: (i) un modulador óptico de baja pérdida recientemente desarrollado y (ii) una fibra inalámbrica adaptativa. tecnología que utiliza una longitud de onda ultrarrápida. En el sistema, las señales de terahercios se reciben y se convierten directamente en señales ópticas utilizando dispositivos de conversión óptica de terahercios con moduladores ópticos de baja pérdida.
Las señales de ondas de luz de los láseres sintonizables se alimentan a los moduladores y los enrutadores de longitud de onda se utilizan para enrutar las señales a diferentes puntos de acceso donde se asignan longitudes de onda específicas. En los puntos de acceso, las señales ópticas moduladas se vuelven a convertir en señales de terahercios mediante convertidores ópticos a terahercios. Las señales de terahercios se pueden cambiar a diferentes puntos de acceso cambiando las longitudes de onda de los láseres sintonizables.
Los láseres sintonizables se pueden controlar de forma independiente, y la cantidad de puntos de acceso que pueden generar simultáneamente señales de terahercios es igual a la cantidad de láseres sintonizables activos. Utilizando las tecnologías desarrolladas en este estudio, el equipo demostró con éxito por primera vez el reenvío y la conmutación transparentes de señales de terahercios en la banda de 285 GHz y logró un rendimiento de 32 Gbps utilizando una señal de multiplexación por división de frecuencia ortogonal de modulación de amplitud de 4 cuadrantes (QAM) ( OFDM).
Se evaluó la capacidad de cambiar señales de onda de terahercios en menos de 10 μs, lo que confirma que se puede lograr una comunicación ininterrumpida en la banda de terahercios.
El sistema consta de los siguientes componentes tecnológicos clave:
- Conversión directa de señales de terahercios a señales ópticas utilizando un modulador óptico de baja pérdida recientemente desarrollado. El equipo logró esto mediante la difusión de Ti en niobato de litio cortado en x (LiNbO3 espesor: ≤ 100 µm) en una capa con una constante dieléctrica baja para operar hasta 330 GHz.
- Conmutación ultrarrápida de señales de terahercios mediante el control de longitudes de onda de láseres sintonizables para guiar y distribuir señales de terahercios a diferentes ubicaciones
- Transmisión de señal OFDM 4-QAM
Mediante el reenvío y la distribución transparente de señales de terahercios a diferentes ubicaciones, se puede superar la alta pérdida de espacio libre y la penetración de las señales de radio de terahercios, y el rango de comunicación se puede ampliar considerablemente. Además, al enrutar y cambiar rápidamente las señales en diferentes direcciones/ubicaciones, la comunicación se puede mantener incluso en caso de obstáculos y/o movimiento del usuario.
Además, al habilitar y deshabilitar la transmisión de señales de ondas de terahercios desde los puntos de acceso a intervalos apropiados, se pueden lograr ahorros de energía y reducción de interferencias. Estas características hacen del sistema propuesto una solución prometedora para superar los cuellos de botella de comunicación de terahercios y allanan el camino para su implementación en redes más allá de las redes 5G y 6G.
En el futuro, los científicos estudiarán el dispositivo de conversión óptica de terahercios y la tecnología de fibra a inalámbrica desarrollada en este estudio para aumentar aún más la radiofrecuencia y la capacidad de transmisión. Además, promoverán actividades de normalización internacional e implementación social relacionadas con los sistemas de comunicación de fibra inalámbrica y terahercios.
Proporcionado por el Instituto Nacional de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (NTIC)