Задават се терахерцови чипове и терабитови скорости

Скоростта на пренос на данни може да се повиши до терабит в секунда
(снимка: CC0 Public Domain)

Нови материали, известни като „фотонни топологични изолатори”, могат да помогнат да използваме терахерцови вълни за изпращането на данни с терабитови скорости (около трилион бита в секунда), обявиха изследователи.

Терахерцовите вълни попадат между оптичните вълни и микровълните в електромагнитния спектър. Варирайки по честота в диапазона от 0,1 до 10 терахерца, тези вълни могат да бъдат ключови за бъдещите 6G безжични мрежи.

Подобни бързи връзки за данни също могат значително да подобрят вътрешната комуникация от чип към чип, което означава много по-бързи и мощни изчислителни машини, съответно по-добра поддръжка на приложенията за изкуствен интелект (AI) и облачните технологии.

„Изкуственият интелект и облачните приложения изискват големи обеми от данни да бъдат предавани между свързани устройства с ултрависока скорост и съвсем ниска латентност”, казва Ранджан Сингх, изследовател в областта на фотониката в Технологичния университет „Нанянг” в Сингапур и съавтор на новата разработка.

„Вземете за пример автономно превозно средство, което използва AI за вземане на решения. За да повишат ефективността при вземане на решения, сензорите на изкуствения интелект трябва да получават данни от съседните превозни средства с ултрависока скорост, за да извършват своите действия в реално време”, пояснява ученият пред Spectrum IEEE.

Конвенционалните терахерцови вълноводи са уязвими откъм дефекти в производството и значителни загуби на сигнала. Сега изследователите са открили, че топологичната фотоника може да помогне за решаването на описаните проблеми.

Топологията е клон на математиката, който изследва какви характеристики на фигурите могат да понесат деформация. Например, предмет, оформен като поничка, може да бъде избутан или издърпан до формата на халба, като дупката на поничката формира дупката за дръжката на чашата, но не може да се деформира до форма, в която да липсва дупка, без да се „разкъса” формата.

Използвайки знания от топологията, изследователите са разработили първите електронни топологични изолатори през 2007 г. Електроните, пътуващи по краищата или повърхностите на тези материали, силно се съпротивляват на всички смущения, които могат да възпрепятстват потока им – по същия начин, по който поничката се съпротивлява на всяка промяна, в резултат на която би загубила своята дупка.

Наскоро учените са проектирали фотонни топологични изолатори, в които фотоните на светлината са „топологично защитени” по сходен начин. Тези материали притежават правилни вариации в своите структури, което позволява специфична дължина на вълната на светлината да преминава вътре в тях без разсейване и без загуби, дори около ъглите и други „несъвършенства”. В резултат на това, казват изследователите, за първи път експериментално е постигната „топологична защита на терахерцовите вълни”.

В процеса на работа учените са изработили силициев чип с дебелина 190 микрона и размери 8х26 милиметра. Перфорирали са го с редици от триъгълни дупки, които се редуват по размер – между 84,9 и 157,6 микрона. По-малките са направени така, че да сочат „обратна” посока, в сравнение с по-големите.

Тези редици от дупки били подредени в групи, където всички по-големи триъгълници да сочат или нагоре, или надолу. Светлината, влизаща в чипа, протича по топологично защитен начин през интерфейса между различните набори отвори.

В експериментите си изследователите са открили, че терахерцовите вълни също могат да се предават безпроблемно с почти никакви загуби, дори когато се движат около 10 остри ъгъла, включително пет завоя от 120 градуса и пет 60-градусови завоя. Постигната е скорост на предаване на данни от 11 гигабита в секунда с честота 0,335 терахерца и с честота на грешка, по-малка от 1 на 100 милиарда.

Учените са демонстрирали как предават некомпресирано 4К видео с висока разделителна способност в реално време чрез въпросния чип – през тези 10 остри завоя – със скорост 6 гигабита в секунда.

Досегашните изследвания са постигали скорост от 1,5 гигабита в секунда с терахерцови вълни и фотонови кристали, казват учените. Освен, че фотонният топологичен изолатор в новата разработка показва по-високи скорости на пренос на данни, важно е и, че традиционните фотонични кристали страдат от огромни загуби на сигнала при завоите, докато подобни загуби са незначителни в новия материал.

„Това е важно, когато имаме предвид миниатюризацията на устройства”, казва Масаюки Фуджита, изследовател в сферата на фотониката от университета в Осака в Япония и съавтор на разработката.

Изследователите отбелязват, че има редица начини да се повиши скоростта на пренос на данни до постигането на терабит в секунда. Тези техники включват използване на по-високи честоти, повече честотна лента и по-сложни схеми за кодиране на данните. Техническа информация за разработката беше публикувана на 13 април в сп. Nature Photonics.