Вчені створили топологічну антену для майбутніх мереж 6G

Світ мобільного зв’язку знову готується до стрибка — і цього разу мова йде про швидкості, які ще кілька років тому здавалися фантастикою. Дослідники з Сінгапуру, Франції та США розробили компактну антену нового типу, здатну працювати з терагерцовими (THz) сигналами — ключем до майбутніх мереж 6G.

Результати роботи опублікували в журналі Nature Photonics, а керівником дослідження став професор Ранджан Сінгх з Університету Нотр-Дам.

Чому 6G потребує терагерців

Очікується, що мережі шостого покоління забезпечуватимуть швидкість передачі даних до одного терабіта на секунду. Для розуміння масштабу: це приблизно половина пам’яті середнього смартфона — за одну секунду.

Але досягти таких показників можна лише на значно вищих частотах, ніж ті, що використовуються у 5G. Йдеться про терагерцовий діапазон — надзвичайно швидкий, але й дуже складний для практичного застосування. Головна проблема — антени. Існуючі рішення або занадто громіздкі, або надто складні й дорогі, або потребують рухомих механічних елементів, що підвищує ризик поломок.

Без принципово нового підходу 6G може виявитися занадто складним і дорогим для масового впровадження.

Ідея з фотоніки — у світ бездротового зв’язку

Щоб вирішити цю проблему, команда звернулася до концепцій топологічної фотоніки — галузі, яка вивчає, як можна змусити світло (та інші електромагнітні хвилі) рухатися строго визначеними «захищеними» траєкторіями.

Суть ідеї в тому, що правильно структурований матеріал може спрямовувати хвилі так, щоб вони майже не розсіювалися й не втрачали сигнал навіть при складній геометрії.

Дослідники створили кремнієвий чип із масивом мікроскопічних трикутних отворів двох різних розмірів — приблизно 99 і 264 мікрометри. Змінюючи порядок розташування цих отворів, вони навчилися керувати поведінкою терагерцових хвиль: або утримувати їх усередині чипа, або «випускати» під чітко заданим кутом.

Так структура фактично перетворилася на антену.

Широке покриття без рухомих деталей

Найцікавіше — така антена не потребує жодних механічних частин для керування сигналом. Уся «логіка» вже закладена в геометрії чипа.

Коли терагерцове випромінювання поступово «просочується» назовні в різних точках, формується широкий конус сигналу. У режимі передавача пристрій покриває близько 75% простору навколо себе — це більш ніж у 30 разів більше, ніж у багатьох сучасних THz-антен.

Та сама структура може працювати і як приймач, захоплюючи сигнали з широкого просторового діапазону та спрямовуючи їх назад на чип.

Під час випробувань антена демонструвала швидкість передачі даних, у сотні разів вищу за показники інших сучасних терагерцових рішень.

Крок до «чипа 6G»

Головна перевага розробки — її простота. Відсутність рухомих компонентів означає менші витрати, вищу надійність і простіше масштабування.

Наступна мета дослідників — інтегрувати в один чип усі ключові елементи терагерцової системи: передавання, приймання та обробку сигналу. Якщо це вдасться, 6G-мережі зможуть працювати з терагерцовими частотами так само впевнено, як сьогодні 4G і 5G працюють із нижчими діапазонами.

Поки що 6G залишається справою майбутнього. Але такі розробки показують: технологічний фундамент для надшвидкого зв’язку вже закладається — і він набагато ближчий, ніж здається.