Première démonstration au monde de relais et de commutation transparents du signal térahertz

6 juin 2023

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par l'Institut National des Technologies de l'Information et de la Communication (NTIC)

Une équipe comprenant des chercheurs de l'Institut National des Technologies de l'Information et de la Communication ; Sumitomo Osaka Cement Co., Ltd. ; Institut de technologie de Nagoya ; et l'Université de Waseda ont développé conjointement le premier système au monde pour le relais transparent, le routage et la commutation de signaux d'ondes térahertz à grande vitesse vers différents endroits.

La conversion directe d'un signal térahertz de 32 Gb/s dans la bande 285 GHz vers une fibre optique et son relais transparent et la commutation vers différents points d'accès dans des périodes de temps ultracourtes ont été démontrées avec succès.

Les technologies clés comprennent un modulateur optique à faible perte nouvellement développé pour la conversion directe des signaux d'onde térahertz en signaux optiques et une technologie sans fil à fibre adaptative pour la commutation ultrarapide des signaux térahertz. Le système développé surmonte les inconvénients des communications radio dans la bande térahertz, tels que la perte élevée d'espace libre, la faible pénétration et la couverture de communication limitée, ouvrant la voie au déploiement des communications térahertz au-delà des réseaux 5G et 6G.

Les résultats de cette démonstration ont été publiés sous la forme d'un article post-date limite lors de la Conférence internationale 2023 sur les communications par fibre optique (OFC 2023).

Les fréquences radio dans la bande térahertz sont des candidats prometteurs pour les communications à très haut débit de données au-delà des réseaux 5G et 6G. Un créneau de 160 GHz dans la bande 275–450 GHz a récemment été ouvert pour les services mobiles et fixes. Cependant, une forte perte d'espace libre et une faible pénétration restent des goulots d'étranglement, ce qui rend difficile la transmission de signaux sur de longues distances, comme de l'extérieur vers l'intérieur ou dans des environnements avec des obstacles.

Le relais transparent et le routage des signaux térahertz entre différents emplacements sont essentiels pour surmonter ces inconvénients et étendre la couverture de communication. Cependant, ces fonctions ne peuvent pas être réalisées à l'aide des technologies électroniques actuelles. De plus, la largeur de faisceau étroite des signaux térahertz rend difficile l'obtention d'une communication ininterrompue lorsque les utilisateurs se déplacent. La commutation de signaux térahertz entre différentes directions et emplacements est cruciale pour maintenir la communication avec les utilisateurs finaux.

Cependant, ce problème critique n'a pas encore été résolu à l'aide de technologies électroniques ou photoniques. Il est également important d'activer et de désactiver l'émission de signaux térahertz à des intervalles appropriés pour économiser de l'énergie et réduire les interférences.

Dans cette étude, l'équipe a démontré le premier système pour le relais transparent, le routage et la commutation de signaux térahertz dans la bande 285 GHz utilisant deux technologies clés : (i) un modulateur optique à faible perte nouvellement développé et (ii) un modulateur adaptatif technologie fibre-sans fil utilisant un laser accordable en longueur d'onde ultra-rapide. Dans le système, les signaux térahertz sont reçus et directement convertis en signaux optiques à l'aide de dispositifs de conversion térahertz-optique avec des modulateurs optiques à faible perte.

Les signaux d'ondes lumineuses provenant de lasers accordables sont entrés dans les modulateurs, et des routeurs de longueur d'onde sont utilisés pour acheminer les signaux vers différents points d'accès où des longueurs d'onde spécifiques sont attribuées. Aux points d'accès, les signaux optiques modulés sont reconvertis en signaux térahertz à l'aide de convertisseurs optiques-térahertz. Les signaux térahertz peuvent être commutés vers différents points d'accès en commutant les longueurs d'onde des lasers accordables.

Les lasers accordables peuvent être contrôlés indépendamment, et le nombre de points d'accès pouvant générer simultanément des signaux térahertz est égal au nombre de lasers accordables actifs. En utilisant les technologies développées dans cette étude, l'équipe a réussi à démontrer pour la première fois le relais transparent et la commutation de signaux térahertz dans la bande 285 GHz et a atteint une capacité de transmission de 32 Gb/s en utilisant une modulation d'amplitude à 4 quadrature (QAM) signal de multiplexage par répartition orthogonale de la fréquence (OFDM).

La possibilité de commuter les signaux d'ondes térahertz en moins de 10 μs a été évaluée, confirmant qu'une communication ininterrompue peut être atteinte dans la bande térahertz.

Le système se compose des technologies d'éléments clés suivantes :

En relayant et en distribuant de manière transparente des signaux térahertz à différents endroits, les pertes élevées d'espace libre et de pénétration des signaux radio dans la bande térahertz peuvent être surmontées et la couverture de communication peut être considérablement étendue. De plus, en acheminant et en commutant rapidement les signaux vers différentes directions/emplacements, la communication peut être maintenue même lorsque des obstacles se produisent et/ou que les utilisateurs se déplacent.

De plus, en activant et désactivant l'émission de signaux d'ondes térahertz à partir de points d'accès à des intervalles appropriés, des économies d'énergie et une réduction des interférences peuvent être réalisées. Ces caractéristiques font du système proposé une solution prometteuse pour surmonter les goulots d'étranglement des communications par ondes térahertz et ouvrir la voie à son déploiement au-delà des réseaux 5G et 6G.

À l'avenir, les chercheurs étudieront le dispositif de conversion térahertz-optique et la technologie fibre-sans fil développés dans cette étude pour augmenter encore la fréquence radio et la capacité de transmission. En outre, ils favoriseront la normalisation internationale et les activités de mise en œuvre sociale liées aux systèmes de communication sans fil à fibre et à ondes térahertz.