Record mondial: transfer de date wireless la 100 Gbiţi/s

În numărul curent al revistei Nature Photonics, cercetătorii prezintă o metodă de transmitere a datelor, fără fir, la o viteză de 100 gigabiţi pe secundă, ceea ce reprezintă un nou record mondial.

În cadrul experimentului ce a permis obţinerea acestui record, viteza de 100 gigabiţi de date pe secundă a fost obţinută prin transmisia datelor la o frecvenţă de 237,5 GHz pe o distanţă de 20 m din cadrul unui laborator. În cazul experimentelor anterioare, realizate în cadrul proiectului „Millilink" finanţat de BMBF, s-au atins viteze de 40 gigabiţi pe secundă la transmiterea datelor de-a lungul unor distanţe mai mari de 1 km. Pentru obţinerea celui mai recent record mondial, oamenii de ştiinţă au aplicat o metodă fotonică pentru a genera semnale radio la emiţător. În receptor s-au utilizat doar circuite electronice integrate pentru recepţia transmisiei radio.

Proiectul nostru s-a concentrat pe integrarea unui releu radio, de bandă largă, în cadrul sistemelor pe bază de fibră optică", declară profesorul Ingmar Kallfass. El a coordonat proiectul „Millilink" în cadrul unei cercetări finanţate de Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF) şi Karlsruhe Institute of Technology (KIT). De la începutul anului 2013, el a coordonat cercetarea din cadrul Stuttgart University. „Pentru zonele rurale, în special, această tehnologie reprezintă o alternativă ieftină şi convenabilă la reţelele de fibră optică, deoarece extinderea acestora, de multe ori, nu poate fi justificată din punct de vedere economic". De asemenea, Kallfass întrevede o cerere a acestei tehnologii în cadrul locuinţelor particulare: „La o viteză de transfer a datelor de 100 gigabit pe secundă, ar fi posibil să putem transmite conţinutul unui disc Blu-ray sau a cinci DVD-uri între două dispozitive, prin semnale radio, în doar două secunde".

În cadrul experimentelor efectuate s-au aplicat, în mod combinat, cele mai recente tehnologii din domeniul radio şi al electronicii: în primul rând, semnalele radio sunt generate cu ajutorul unei metode optice. Mai mulţi biţi sunt combinaţi prin intermediul aşa-numitelor simboluri de date şi apoi sunt transmişi în acelaşi timp. După transmitere, semnalele radio sunt recepţionate prin intermediul unor circuite electronice integrate active.

Transmiţătorul generează semnalele radio cu ajutorul unui aşa-numit mixer de fotoni, de bandă foarte largă, realizat de compania japoneză NTT-NEL. În acest scop, două semnale laser optice, de frecvenţe diferite, sunt suprapuse pe o fotodiodă. În consecinţă, este generat un semnal electric a cărui frecvenţă este egală cu diferenţa de frecvenţă a celor două semnale optice, în acest caz de 237,5 GHz. Semnalul electric din domeniul lungimilor de undă milimetrice este emis prin intermediul unei antene.

„Un avantaj important al metodei fotonice este acela că fluxurile de date din cadrul sistemelor bazate pe fibră optică pot fi convertite direct în semnale radio de înaltă frecvenţă", spune profesorul Jürg Leuthold. El a propus soluţia fotonică care a fost realizată în cadrul acestui proiect. Fostul şef al KIT Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) colaborează în prezent cu ETH Zürich. „Acest avantaj permite ca legăturile stabilite prin intermediul releelor radio ce permit o viteză mare de transmitere a datelor, aflate în cadrul reţelelor pe bază de fibră optică, să devină mai uşor de realizat şi mai flexibile. Spre deosebire de un transmiţător pur electronic, nu este necesară prezenţa niciunui circuit electronic intermediar. "Lăţimea de bandă mare şi o bună liniaritate a mixerului de fotoni face ca metoda să fie foarte utilă pentru transmiterea semnalelor modulate într-un mod complicat, având diferite valori ale amplitudinii şi fazei. Această calitate va fi o necesitate în cadrul viitoarele sisteme pe bază de fibră optică", adaugă Leuthold.

Recepţia semnalelor radio se realizează cu ajutorul circuitelor electronice. În experimentul de faţă, s-a utilizat un cip semiconductor care a fost produs de Fraunhofer Institute of Applied Solid State Physics (IAF) în cadrul proiectului „Millilink". Tehnologia semiconductorilor se bazează pe utilizarea tranzistorilor cu o mare mobilitate a electronilor (High-Electron-Mobility Transistors - HEMT) care permite fabricarea de receptoare active, de bandă largă, cu frecvenţe cuprinse între 200 şi 280 GHz. Circuitele integrate conţin un cip având o mărime de doar câţiva milimetri pătraţi. Receptorul obţinut pe baza acestui cip suportă, de asemenea, multiple formate de modulare avansată a semnalului. Ca rezultat, legăturile radio pot fi integrate în cadrul reţelelor moderne de fibră optică, într-un mod ceva mai simplu.

În cursul lunii mai a acestui an, echipa de cercetători a reuşit transmisia datelor la o viteză de 40 gigabit pe secundă de-a lungul unei distanţe mari dintr-un laborator de teste, folosind un sistem pur electronic. În plus, datele au fost transmise, cu succes, pe o distanţă de un kilometru între două puncte, situate la o înălţime mare, din centrul oraşului Karlsruhe. „Distanţele mari de transmisie din cadrul proiectului „Millilink" au fost obţinute cu ajutorul unor antene convenţionale care pot fi înlocuite de antene realizate într-o formă miniaturizată în cadrul viitoarelor sisteme compacte ce vor fi destinate utilizării în spaţiile interioare", spune profesorul Thomas Zwick, şef al KIT Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (Institute of High-Frequency Technology and Electronics). Viteza transferului de date poate fi mărită în continuare. „Prin aplicarea combinată a unor tehnologii din domeniul optic şi electric, cum ar fi prin transmisia simultană a mai multor fluxuri de date şi prin utilizarea mai multor transmiţătoare şi antene de recepţie, viteza de transfer a datelor ar putea fi multiplicată", spune Swen König din cadrul KIT Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ), care a conceput şi realizat experimentul recent care a stabilit un nou record mondial. „Prin urmare, sistemele de comunicaţii radio având o viteză a transferului de date de 1 terabiţi pe secundă par a fi fezabile".