Japonya Terahertz Sınırını Aştı: Kablosuz Veri İletiminde 112 Gbps Hız

Hızlı Erişim / İçindekiler

• Terahertz Spektrumu ve Konvansiyonel Elektroniğin Sınırları
• Mikro-Tarak Teknolojisi ve Optik Hizalama Sorununun Çözümü
• Yeraltı Kablolarına Alternatif: Mobil Veri Toplama Ağlarının Geleceği

Küresel telekomünikasyon altyapısı, mevcut beşinci nesil (5G) ağların sınırlarını genişletmeye çalışırken, bir sonraki aşamanın teknik temelleri laboratuvar ortamlarında şekilleniyor. Japonya'daki araştırmacılar, yeni nesil kablosuz ağların inşasında kritik öneme sahip özel bir spektrum bandında saniyede 112 gigabit (Gbps) veri iletim hızına ulaşmayı başardı. Bu çalışma, elektromanyetik spektrumun henüz ticari olarak kullanılmayan terahertz bölgesinde gerçekleştirilen sinyal iletim denemelerinde önemli bir teknik eşiği temsil ediyor. Geliştirilen yeni yöntem, ultra yüksek frekanslarda ortaya çıkan ve geleneksel elektronik bileşenlerin performansını baltalayan sinyal gürültüsü sorununu kökten çözmeyi amaçlıyor.

Mevcut hücresel ağlar, veri trafiğinin yoğunlaşmasıyla birlikte frekans tıkanıklığı problemiyle karşı karşıya kalıyor. Bu tıkanıklığı aşmak adına gözünü daha yüksek frekanslara diken bilim dünyası, terahertz dalgalarının sunduğu geniş bant genişliğinden yararlanmak istiyor. Tokushima Üniversitesi Post-LED Fotonik Enstitüsü öncülüğünde yürütülen bu son deneme, yüksek frekanslı sinyallerin kararlılık sorununu mikroçip seviyesindeki optik sistemlerle çözebileceğimizi gösterdi. Araştırma bulguları, Communications Engineering dergisinde teknik detaylarıyla birlikte paylaşıldı.

Terahertz Spektrumu ve Konvansiyonel Elektroniğin Sınırları

Modern kablosuz iletişim sistemleri, 350 gigahertz (GHz) frekans bandının altındaki bölgeyi yoğun şekilde kullanıyor. Bu sınırın altı, 5G sinyalleri ve diğer mikrodalga iletişim sistemleri tarafından doldurulduğu için yeni nesil yüksek hızlı veri aktarımlarına yeterli alan sunamıyor. Bilim insanları bu nedenle 350 GHz ile 3 terahertz arasındaki el değmemiş spektrum bandına yöneliyor. Ancak geleneksel yarı iletken elektronik devreler bu aşırı yüksek frekanslara zorlandığında, fiziksel sınırlamalar nedeniyle sinyal gücü yetersiz kalıyor ve "faz gürültüsü" adı verilen dalgalanmalar meydana geliyor. Sinyaldeki bu kararsızlık, taşınan verinin bozulmasına ve iletim mesafesinin kısalmasına yol açıyor.

Japon araştırmacılar, geleneksel elektroniğin tıkandığı bu noktada 560 GHz frekans bandına odaklandı. İlk kez 420 GHz eşiğinin üzerine çıkılarak bu denli yüksek bir veri hızına ulaşılması, yüksek frekanslı dalgaların karakteristik zayıflıklarının fotonik sistemlerle aşılabileceğini kanıtladı. Deneyler sırasında, sınırlı bir bant genişliği içinde veri transfer oranını maksimuma çıkaran ileri modülasyon teknikleri kullanıldı. Bu sayede, gelecekte kurulacak olan hücresel ağların omurgasını oluşturacak kararlı bir altyapının ilk sinyalleri elde edilmiş oldu.

Mikro-Tarak Teknolojisi ve Optik Hizalama Sorununun Çözümü

Veri iletiminde elektrik akımı yerine ışık parçacıklarını, yani fotonları kullanmak uzun süredir üzerinde çalışılan bir yöntemdir. Fakat geleneksel fotonik sistemler, laboratuvar ortamı dışında kullanılamayacak kadar büyük lazer cihazlarına ihtiyaç duyuyordu. Ayrıca bu sistemlerin düzgün çalışabilmesi için optik mikroskoplar yardımıyla mikrometre düzeyinde hassas eksen hizalamaları yapılması zorunluydu. Gerçek dünya koşullarında, sokaktaki en ufak bir sarsıntı veya sıcaklık değişimi bu hassas hizalamayı bozarak kablosuz bağlantının kopmasına neden oluyordu.

Bu mühendislik engelini aşmak isteyen Japon bilim ekibi, optik tarak (microcomb) yapısını doğrudan bir silisyum nitrür mikro-rezonatöre bağlayarak fiber optik kablo ile bütünleşik hale getirdi. Bu doğrudan sabitleme yöntemi, aynalar ve harici mercekler kullanılarak yapılan milimetrik hizalama zorunluluğunu tamamen ortadan kaldırdı. Sistem, lazer ışığını milyonlarca kesin frekans çizgisine dönüştüren kararlı bir yapıya büründü. Araştırmacılar, bu kompakt ışık kaynaklarını yüksek dereceli modülasyon formatlarıyla (QPSK ve 16QAM) kodlayarak tek bir dalga boyuna maksimum veri sıkıştırmayı başardı. Son aşamada optik sinyaller, fotomiksaj yöntemiyle 560 GHz frekansındaki terahertz dalgalarına dönüştürülerek alıcıya aktarıldı.

Yeraltı Kablolarına Alternatif: Mobil Veri Toplama Ağlarının Geleceği

Yapılan laboratuvar testlerinde, QPSK modülasyonu ile 84 Gbps, 16QAM modülasyonu ile de 112 Gbps veri transfer hızları başarıyla kaydedildi. Bu teknik başarının asıl çarpıcı yönü, sistemin boyutlarında saklıdır. Eski nesil laboratuvar tipi optik tarak sistemleri yaklaşık 45 santimetre genişliğe sahipken, yeni geliştirilen entegre verici ünitesinin çapı sadece 5 milimetredir. Bu mikro boyut, teknolojinin gelecekte akıllı cihazlara ve baz istasyonlarına entegre edilebilmesi açısından kritik bir pratiklik sunuyor. Ayrıca mikro-rezonatörün içine yerleştirilen sıcaklık kontrol mekanizması, cihazın dış ortamdaki termal dalgalanmalardan etkilenmesini önleyerek sinyal kalitesini koruyor.

Bu yeni nesil yüksek frekanslı iletim sistemlerinin, gelecekte şehirlerarası kablosuz veri toplama ağlarında (backhaul) kullanılması planlanıyor. Günümüzde yüksek hızlı internet şebekeleri, yer altına döşenen binlerce kilometrelik fiber optik kablo omurgalarına ihtiyaç duyuyor. Kazı çalışmalarını ve yüksek maliyetli kablolama işlemlerini zorunlu kılan bu geleneksel yöntem, kırsal bölgelere veya engebeli arazilere yüksek hızlı internet ulaştırılmasını zorlaştırıyor. Geliştirilen 5 milimetrelik terahertz vericileri, baz istasyonlarının kendi aralarında fiber optik hızında kablosuz olarak haberleşmesini sağlayabilir. Sonraki aşamalarda faz gürültüsünü daha da azaltmayı ve çıkış gücünü artırmayı hedefleyen araştırmacılar, saniyede 1 terabitlik teorik sınıra ulaşarak kablosuz iletişimde yeni bir standart belirlemek istiyor.

Kaynak: livescience.com Japan hits 6G key milestone with high-frequency speeds topping 100 Gbps

BilimBox Yorumu: Japonya'da gerçekleştirilen bu minyatür fotonik devrimi, kablosuz iletişim teknolojilerinde fiziksel sınırların nasıl esnetilebileceğini gösteren çok net bir mühendislik dersidir. Şimdiye kadar terahertz bandı, yüksek veri kapasitesine rağmen kararsızlığı, yüksek gürültü oranı ve devasa donanım gereksinimleri nedeniyle ticari olarak ölü bir bölge kabul ediliyordu. 45 santimetrelik devasa bir laboratuvar düzeneğinin 5 milimetrelik bir çipe indirgenmesi ve fiber optik kablonun doğrudan rezonatöre kaynaklanması, teorik bir teorinin sokaktaki baz istasyonuna inebilmesi adına atılmış en gerçekçi adımdır. Bu teknoloji, gelecekte sadece akıllı telefonlarımızın hızlanmasını sağlamayacak; asıl büyük dönüşümü, maliyeti son derece yüksek olan yeraltı fiber omurga zorunluluğunu ortadan kaldırarak gerçekleştirecek. Şehirlerin altını kazmak yerine, baz istasyonlarının havadan gigabitlerce veriyi birbirine aktardığı, fiziksel kablolardan bağımsız bir iletişim ağına doğru evriliyoruz. Mühendislerin faz gürültüsünü azaltma ve çıkış gücünü artırma konusundaki bir sonraki adımları, otonom araç filolarından küresel uydu ağlarına kadar tüm veri ekosisteminin veri transfer hızını kalıcı olarak değiştirecektir.