От 4K до 18K: терахерцов чип открива нови хоризонти за стрийминга

Учени разработиха начин за ефективно формиране на терахерцови лъчи.

Учени разработиха иновативен начин за формиране на терахерцови (THz) лъчи с помощта на устройство върху чипа, което може да бъде значителен пробив в безжичните комуникации на бъдещето. Новата технология насочва сигналите към определени устройства, като прави връзките по-стабилни и надеждни. Прототипът на чипа може да поддържа едновременното предаване на четири некомпресирани HD видеопотока или осем безжични канала с честотна лента от 40 Gbps всеки от тях.

Терахерцовите вълни заемат междинна позиция в електромагнитния спектър между оптичните вълни и микровълните. Честотният диапазон на тези вълни е от 0,1 до 10 терахерца. Макар че тези вълни все още не се използват достатъчно, те осигуряват по-висока честотна лента, необходима за бъдещите 6G мрежи и по-нататъшните подобрения в комуникационните технологии.

Според Ранджан Сингх, професор по електроинженерство в Университета Нотр Дам в Индиана и Технологичния университет Нанянг в Сингапур, терабайтовите връзки могат да поддържат широк спектър от приложения. Те включват по-бързи интернет връзки, автономни превозни средства, виртуална и разширена реалност без забавяне, дистанционни операции, интелигентни градове и видео стрийминг с резолюция 8K и дори 18K.

За да могат терахерцовите вълни да се превърнат в гръбнака на безжичните комуникации на бъдещето, трябва да се намерят ефективни начини за формиране на лъча.

„Антените за формиране на лъча са интелигентни антени, които фокусират безжичния сигнал в определена посока, вместо да го разпръскват навсякъде“, обяснява Сингх.

Фокусирането на сигнала прави комуникацията по-ефективна, като го насочва точно там, където е необходим. Това дава възможност на сигнала да се разпространява на по-голямо разстояние и да поддържа по-добро качество дори на много големи разстояния. Освен това тези антени намаляват смущенията от другите устройства, което прави връзките по-стабилни.

Настоящите терахерцови фазирани антенни решетки са изправени пред много предизвикателства, като например консумация на енергия, ограничена честотна лента, обемисти устройства и ограничен брой посоки, в които могат да се насочват лъчите. За да се справят с тези предизвикателства, Сингх и колегите му са разработили многоканален широколентов терахерцов форматор и разпределител на лъчите върху чипа, който може да излъчва безжичен лъч във всяка посока около устройството. Разработката се основава на бързо развиващата се област на топологичната фотоника.

Топологията е дял от математиката, който изучава кои свойства на формите остават непроменени при деформация. Например обект, наподобяващ поничка, може да се деформира във формата на чаша, като дупката в поничката се превръща в дръжка на чашата, но не може да се деформира във форма без дупка, без да се разруши.

Използвайки знанията от топологията, през 2007 г. изследователите създават първите топологични изолатори за електрони. Електроните, пътуващи по ръбовете или повърхностите на тези материали, продължават да се движат въпреки различните препятствия, точно както формата на поничката се запазва при всяка промяна, освен ако не добавят или премахнат дупка.

В последните си изследвания учените създадоха фотонни топологични изолатори, в които фотоните на светлината са по подобен начин „топологично защитени“. Специфичните структури на тези материали насочват определени дължини на вълните на светлината, като по този начин им позволяват да се движат без разсейване или загуба, дори когато преминават през ъгли и несъвършенства.

В новото изследване, използващо невронни мрежи за проектиране, е създаден силициев чип с редици от триъгълни отвори, редуващи се по ширина от 84,9 до 157,6 микрометра. Тези отвори са подредени в клъстери, като редовете с по-малки триъгълни отвори са обърнати в посока, противоположна на редовете с по-големи отвори. В някои клъстери големите триъгълни отвори са насочени нагоре, а в други – надолу.

Светлината, преминаваща през този чип, е топологично защитена и се движи по ръбовете между различните клъстери от триъгълни отвори. Топологичната защита дава възможност за насочване на светлината във вътрешността на чипа дори през остри завои и тесни пространства, което прави възможно намаляването на размера на всичко това до размера на самия чип. Учените публикуваха своите открития на 14 август в списание Nature.

Новият топологичен форматор на лъча може да осигури 72 Gbps безжична връзка между чипове на разстояние до 30 сантиметра с ниска загуба на енергия. Устройството регулира броя на каналите при поискване, като използва светлината, за да възбужда и по този начин да изключва всеки от 48-те лъча, които може да излъчва.

Ранджан Сингх обясни, че при сегашните скорости на Wi-Fi свалянето на 4K UHD видео отнема 11 минути, докато новият чип, базиран на терахерц, може да го направи само за 6 секунди.

Засега фокусът пада върху интегрирането на терахерцова електроника и фотоника на една и съща платформа. Едно от основните предизвикателства в тази работа е липсата на ефективни усилватели на мощност и електронни осцилатори на терахерцови честоти, което значително ограничава мощността на терахерцовите вълни, генерирани в чипа. Бъдещите изследвания трябва да се съсредоточат върху миниатюризацията както на електронните, така и на фотонните компоненти, за да се постигне достатъчна мощност на генериране на терахерцовите вълни, която да проправи пътя за търговската реализация на технологиите върху чиповете.

Това е една съвсем нова технология, която значително може да ускори работата на следващото поколение компютърни системи.