"מסרק אור" על שבב עשוי לסלול דרך לרשתות 6G

מקור אור זעיר על שבב הצליח לייצר שורה מדויקת של תדרים ולהמיר אותם ישירות למספר אותות בגלים מילימטריים ובתחום התת-טרה-הרץ - טווח תדרים שנחשב רלוונטי לרשתות 6G עתידיות, מכ"ם, חישה ומערכות תזמון מדויקות.

המחקר, בהובלת חוקרים מאוניברסיטת לובורו בבריטניה ובשיתוף אוניברסיטת סאסקס ומוסדות בקנדה, הונג קונג, סין ואוסטרליה, פורסם ב-20.8.26 ב-Nature Communications. החוקרים הדגימו מסרק גלים מילימטריים בקצב חזרה של 50 גיגה-הרץ, המשתרע אל תחום התת-טרה-הרץ.

מהו בכלל "מסרק תדרים"

מסרק תדרים אופטי הוא מקור אור שאינו מפיק תדר יחיד, אלא שורה של תדרים מדויקים המרוחקים זה מזה במרווח קבוע - בדומה לשיניים של מסרק.

כל "שן" היא תדר אור נפרד, וכל השיניים נשמרות ביחס מדויק זו לזו. התכונה הזאת הפכה מסרקי תדרים לכלים חשובים בשעונים אטומיים, ספקטרוסקופיה, תקשורת אופטית ומדידות מדויקות.

במחקר החדש השתמשו החוקרים במיקרוקומב - מסרק תדרים זעיר שנוצר באמצעות מהוד אופטי על שבב.

החידוש הוא לא עוד תדר יחיד

מחקרים קודמים כבר הראו כי אפשר להשתמש במיקרוקומב כדי להפיק אות מילימטרי מדויק אחד.

החידוש כאן הוא שהחוקרים הצליחו להפיק ישירות שורה של תדרים מילימטריים מדויקים בו-זמנית. המערכת יצרה מסרק בסיס בקצב חזרה של 50 גיגה-הרץ, ובפלט נצפו כמה הרמוניות בתחום התת-טרה-הרץ.

מבחינה עקרונית, כל תדר כזה עשוי בעתיד לשמש נשא לערוץ תקשורת נפרד. זהו אחד ההיבטים שהופכים את המערכת למעניינת עבור תקשורת אלחוטית עתירת קיבולת.

חשוב להדגיש: במחקר עצמו לא הודגמה רשת 6G מלאה ולא הועברו כמה ערוצי נתונים מסחריים במקביל. הודעת אוניברסיטת לובורו מציגה את האפשרות הזאת כפוטנציאל עתידי.

איך נוצר המסרק היציב

בלב המערכת נמצא מהוד אופטי זעיר על שבב, אבל הוא אינו פועל לבדו.

החוקרים שילבו את המהוד עם לולאה גדולה יותר של סיב אופטי. האור נע שוב ושוב דרך שני החלקים, וכך נוצר מה שהחוקרים מכנים laser-cavity-soliton microcomb - מקור מסרק בעל רעש מופע נמוך ויציבות גבוהה.

לאחר מכן הומר האור לאותות מילימטריים באמצעות אנטנות פוטו-מוליכות. ההמרה נעשתה באופן קוהרנטי, והחוקרים הצליחו להפיק צורת גל חד-מחזורית ולזהות ישירות כמה הרמוניות בפלט.

צילום: מ"מסרק אור" לגלים מילימטריים

אפשר גם לעצב את שורת התדרים

החוקרים הראו כי אפשר לשנות את עוצמת חלק מההרמוניות באמצעות שינוי מצב הפעולה של המיקרוקומב, בלי לשנות את המרווח הקבוע בין התדרים.

היכולת הזאת עשויה להיות חשובה במערכות תקשורת או מדידה, משום שהיא מאפשרת לעצב את ספקטרום המקור עצמו בלי לבנות מערך שלם של מקורות תדר נפרדים.

החוקרים מתארים זאת כדרך פשוטה יחסית לשליטה ספקטרלית כבר בשלב יצירת האות.

יותר מ-8 מטרים בלי לאבד סנכרון

בניסוי נוסף השתמש הצוות במערכת לספקטרוסקופיה בתחום הזמן.

הם הראו שהמקור ממשיך לפעול ביציבות גם כאשר קיים הפרש של יותר מ-8 מטרים בין המסלולים האופטיים של המקור והגלאי, ללא הידרדרות ניכרת בסנכרון גם במצב חופשי, בלי נעילה חיצונית.

המשמעות היא שהמערכת עשויה להיות שימושית גם בתחומים שבהם חשוב לשמור על תזמון מדויק לאורך מרחקים שונים.

לא רק תקשורת

החוקרים מציינים כמה שימושים אפשריים מעבר ל-6G: מכ"ם, ספקטרוסקופיה, חישה מדויקת, אסטרונומיה, ניווט ומערכות תזמון.

אוניברסיטת לובורו אף בוחנת את הטכנולוגיה מול שעונים מדויקים במסגרת שיתופי פעולה עם המעבדה הפיזיקלית הלאומית של בריטניה ועם תוכניות בריטיות לניווט, מיקום ותזמון קוונטיים.

היתרון העקרוני הוא שמקור יחיד עשוי לספק כמה תדרים יציבים ומדויקים במקום מערך של מקורות נפרדים.

איפה נכנס 6G

אחד האתגרים ברשתות 6G הוא הצורך לעבור לתדרים גבוהים יותר כדי להגדיל את רוחב הפס ואת קצב העברת הנתונים.

גלים מילימטריים ותדרי תת-טרה-הרץ מאפשרים רוחבי פס גדולים יותר, אבל ככל שהתדר עולה גם גדלים האתגרים: רעש, יציבות, הפסדי אות ומורכבות חומרה.

מקור שמסוגל להפיק כמה תדרים יציבים במקביל עשוי להקל בעתיד על בניית מערכות רב-ערוציות.

עם זאת, נכון לומר שמדובר ברכיב אפשרי בתוך מערכת עתידית - לא ב"שבב 6G" בפני עצמו.

גודל גרגר אורז - אבל רק השבב

אוניברסיטת לובורו תיארה את המיקרו-שבב שבמרכז המערכת כזעיר מאוד, בערך בגודל גרגר אורז.

אלא שהמערכת השלמה עדיין רחוקה מהגודל הזה. היא כוללת לולאת סיב אופטי, אנטנות פוטו-מוליכות ורכיבי מעבדה נוספים.

החוקרים מעריכים שבעתיד ניתן יהיה למזער חלק גדול מן המערכת, אולי עד גודל של קופסה קטנה, אבל הדבר טרם הודגם. לכן הצגה של המחקר כ"מערכת 6G בגודל גרגר אורז" תהיה מטעה.

העניין הישראלי

למחקר יש עניין ברור בישראל בשל החוזקות המקומיות בפוטוניקה, שבבים, תקשורת אלחוטית, מכ"ם ומערכות ביטחוניות.

חברות ומכוני מחקר ישראלים עוסקים כבר כיום במערכות גלים מילימטריים, חישה, פוטוניקה על שבב ותקשורת בתדרים גבוהים. אם טכנולוגיות מסוג זה יבשילו, הן עשויות להשתלב בעתיד במערכות תקשורת, מכ"ם או ניווט שבהן יש חשיבות רבה ליציבות וליכולת להפיק כמה תדרים מדויקים ממקור אחד.

היתרון האפשרי הוא לא רק קצב גבוה, אלא גם חיסכון במערכות נפרדות, מקום וצריכת אנרגיה.

עדיין רחוק מרשת מסחרית

המחקר מדגים מקור תדרים והמרה פוטונית, ולא מערכת תקשורת מלאה.

לא הוצגו בו טלפון, אנטנת 6G מסחרית או תחנת בסיס, ולא נמדד קצב נתונים של רשת אמיתית. כדי להגיע למוצר יהיה צורך לשלב את המקור עם מגברים, אנטנות, מקלטים, עיבוד אותות, מערכות קירור, ניהול הספק ומערכות ייצור מתאימות.

גם שאלות של מחיר, אמינות לאורך זמן ויכולת ייצור המוני אינן נענות עדיין במחקר הנוכחי.

לכן הממצא הוא צעד חשוב בפוטוניקה של תדרים גבוהים - ולא הכרזה על כך שרשתות 6G מוכנות.