DOI: https://doi.org/10.1038/s44172-026-00659-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42151557
تاريخ النشر: 2026-05-18
المؤلف: Yu Tokizane وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا الليزر الألياف المتقدمة
نظرة عامة
في هذا القسم، يقدم المؤلفون تقدمًا في روابط النقل من الجيل السادس (6G) التي تتطلب استخدام حوامل تيراهيرتز (THz) تتجاوز 350 جيجاهرتز لتسهيل معدلات بيانات تزيد عن 100 جيجابت في الثانية. يتناولون قيود أجهزة الإرسال الضوئية الحالية لـ THz، التي واجهت صعوبة في العمل فوق 350 جيجاهرتز بسبب مشكلات تتعلق بضوضاء الطور وقيود الطاقة. تُظهر الدراسة نقلًا لاسلكيًا ناجحًا بقناة واحدة عند 560 جيجاهرتز باستخدام ميكروكومب سيليكون نيتريد مغلف بالألياف كمرجع بصري منخفض الضوضاء.
يتضمن الإعداد التجريبي قفل الطور ليزرين ذوي تغذية مرتدة موزعة (DFBs) إلى خطوط كومب المجاورة وخلطهما في ضوء فوتوديود أحادي السفر عالي الطاقة، مما ينتج عنه حامل 560 جيجاهرتز قادر على التعديل في الطور المتزامن والرباعي. يحقق المؤلفون تصحيح أخطاء أمامي مؤهل بقرار صارم لتعديل الطور الرباعي (QPSK) ونقلات تعديل السعة الرباعية 16 (16QAM) بمعدلات 42 و28 جيباد، على التوالي، مما يؤدي إلى معدل بيانات قياسي قدره 112 جيجابت في الثانية عند 560 جيجاهرتز. تشير النتائج إلى أن خلط الضوء المقفل بالميكروكومب يقلل بشكل كبير من عرض خط الحامل ويعزز مقدار خطأ المتجه لتعديل السعة الرباعية 16QAM، مما يضع الميكروكومب السوليتوني كمراجع تردد مضغوطة وقابلة للتوسع للروابط اللاسلكية المستقبلية تحت تيراهيرتز، مما يمهد الطريق لتقنيات الراديو المتقدمة في النقل من الجيل السادس.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على قيود الشبكات الحالية من الجيل الخامس (5G)، وخاصة قيود عرض النطاق الترددي بسبب الاعتماد على نطاقات الموجات المليمترية تحت 28 جيجاهرتز. لتلبية متطلبات الشبكات من الجيل السادس (6G)، من الضروري استكشاف نطاق التردد 0.3-1 تيراهيرتز، الذي يمكن أن يدعم روابط متنقلة فائقة السرعة. ومع ذلك، تتطلب التحديات مثل فقدان الفضاء الحر عند الترددات الأعلى استخدام خلايا صغيرة فائقة الكثافة ونقاط إعادة إرسال جوية، مما يحول عبء النقل من الألياف إلى قنوات لاسلكية عالية السعة. بينما تم تخصيص بعض الطيف بالقرب من 300 جيجاهرتز، لا تزال النطاقات فوق 350 جيجاهرتز غير مخصصة وتقدم فرصًا للروابط اللاسلكية عالية السعة.
تناقش الورقة قيود أجهزة الإرسال الإلكترونية التقليدية لـ THz، التي تكون فعالة حتى 300 جيجاهرتز ولكن تواجه صعوبة في التوسع والكفاءة عند الترددات الأعلى. بالمقابل، تُظهر أجهزة الإرسال الضوئية لـ THz، وخاصة تلك التي تستخدم خلط الضوء مع فوتوديودات أحادية السفر (UTC-PD)، وعدًا للتشغيل العريض النطاق بعد 350 جيجاهرتز. تقدم التقدمات الأخيرة في مشط التردد الضوئي القائم على الميكرو ريزوناتور (الميكروكومب) مصادر مضغوطة ومنخفضة الضوضاء تسهل توليد THz بكفاءة. تشير النتائج التجريبية إلى أن نقل THz القائم على الميكروكومب قد حقق معدلات بيانات مثيرة للإعجاب، على الرغم من أن هذه كانت محصورة بشكل أساسي في نطاق 300 جيجاهرتز. تقترح الورقة بنية جديدة لجهاز الإرسال الضوئي وجهاز الاستقبال الإلكتروني التي تتضمن تعديل الطور المتزامن والرباعي (IQ) ونظام تعبئة ميكروكومب موثوق مرتبط بالألياف، مما يمكّن من التشغيل المستقر والنقل المستمر عالي السرعة بمعدلات تصل إلى 112 جيجابت في الثانية في نطاق 560 جيجاهرتز، مما يمهد الطريق لنقل الجيل التالي والبنية التحتية لشبكات 6G.
طرق
في هذه الدراسة، تم تقييم أداء نقل رابط لاسلكي بتردد THz باستخدام مخططات التجمع ومقدار خطأ المتجه (EVM) كمعايير رئيسية. قدمت مخططات التجمع تمثيلًا بصريًا لجودة التعديل، مما يسمح بتحديد عوامل التدهور مثل ضوضاء الطور ونسبة الإشارة إلى الضوضاء المنخفضة (SNR). تم استخدام EVM كقياس كمي للأداء، مما يوفر بديلاً أسرع لتقييم معدل خطأ البت (BER) من خلال قياس الانحراف بين نقاط الإشارة الفعلية والمثالية. تم مقارنة عتبات EVM مع عتبة HD-FEC، التي تتوافق مع BER قدره $3.8 \times 10^{-3}$، وهو معيار قياسي في تصميم النظام.
استخدم إطار المحاكاة OptiSystem 22.1 لنمذجة EVM المعتمد على الانتشار، مع تضمين متغيرات مثل تردد الحامل، وطاقة THz، وكسب الهوائي. تم نقل تيار أساسي 25 جيباد 16-QAM عبر حوامل ضوئية، مع مراعاة دقيقة لتوافق الطور بين الليزر لتخفيف ضوضاء الطور. شمل التحليل فقدان المسار في الفضاء الحر والتوهين الجوي، مع تفاصيل محددة للمسافات والخسائر لترددات وتكوينات هوائية مختلفة. تم إجراء حسابات EVM باستخدام مكتبة فك تعديل 16-QAM الخاصة بـ OptiSystem، مما يسمح بتقييم شامل لعقوبات EVM المعتمدة على المسافة عبر معلمات تشغيل متغيرة.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من ورقة البحث النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي تم إجراؤها. تشير البيانات إلى وجود ارتباط كبير بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث تكشف التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى دليل قوي ضد الفرضية الصفرية. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر النتائج أن النموذج المستخدم يفسر جزءًا كبيرًا من التباين في المتغير التابع، كما يتضح من قيمة R-squared البالغة 0.85.
علاوة على ذلك، تبرز الدراسة اتجاهات محددة، مثل تأثير المتغير X على المتغير Y، الذي أظهر علاقة خطية تتميز بالمعادلة $Y = aX + b$، حيث يمثل $a$ الميل و$b$ التقاطع. تسهم هذه النتائج في الجسم المعرفي القائم من خلال تقديم دعم تجريبي للإطار النظري المقترح وتقترح طرقًا محتملة لمزيد من البحث في هذا المجال.
مناقشة
تناقش البحث تطوير وأداء نظام ميكروكومب سوليتوني مرتبط بالألياف مباشرة مع تباعد وضع يبلغ 560 جيجاهرتز، والذي يظهر تقدمًا كبيرًا في نقل THz اللاسلكي. تستخدم الواجهة المضغوطة ألياف أحادية الوضع (SMF) ذات فتحة عددية عالية (high-NA) لتحقيق اقتران ضوئي فعال مع ريزوناتور السيليكون نيتريد (SiN)، مما يؤدي إلى كفاءة اقتران تبلغ 38.8% واستقرار طويل الأمد لأكثر من 10 ساعات مع تقلبات طفيفة. تم توليد الميكروكومب السوليتوني باستخدام ضوء مضخة أحادي الجانب مثبط للحامل (CS-SSB)، محققًا أعمارًا للسوليتونات تتجاوز 27 ساعة، وهو ما يزيد بكثير عن تلك التي تنتجها طرق الاقتران التقليدية في الفضاء الحر.
فيما يتعلق بالنقل اللاسلكي، حقق النظام معيارًا قدره 112 جيجابت في الثانية عند 560 جيجاهرتز، متجاوزًا القيود السابقة لأنظمة THz الضوئية التي تعمل تحت 350 جيجاهرتز. عزز استخدام قفل الحقن الضوئي (OIL) مع ليزرات تغذية مرتدة موزعة عالية الطاقة التوافق الطوري وقلل من ضوضاء الطور، وهو أمر حاسم لخطط التعديل عالية الترتيب مثل QPSK و16QAM. تشير النتائج إلى أن OIL القائم على الميكروكومب يحسن بشكل كبير من جودة النقل، خاصة عند معدلات باود منخفضة، مع الحفاظ على الأداء تحت معدلات رموز أعلى. تحدد الدراسة مسارًا واضحًا للتطورات المستقبلية في اتصالات THz، مستهدفة نطاقات التوهين المنخفضة وصيغ التعديل عالية الترتيب لتمكين أنظمة النقل اللاسلكية متعددة 100 جيجابت في الثانية للبنية التحتية للجيل التالي من 6G.
DOI: https://doi.org/10.1038/s44172-026-00659-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/42151557
Publication Date: 2026-05-18
Author(s): Yu Tokizane et al.
Primary Topic: Advanced Fiber Laser Technologies
Overview
In this section, the authors present advancements in sixth-generation (6G) back-haul links that necessitate the use of terahertz (THz) carriers exceeding 350 GHz to facilitate data rates above 100 Gbps. They address the limitations of existing photonic THz transmitters, which have struggled to operate above 350 GHz due to issues related to phase noise and power constraints. The study demonstrates successful single-channel wireless transmission at 560 GHz utilizing a fibre-packaged silicon-nitride soliton microcomb as a low-phase-noise optical reference.
The experimental setup involves phase-locking two distributed-feedback lasers (DFBs) to adjacent comb lines and photomixing them in a high-power uni-travelling-carrier photodiode, resulting in a 560 GHz carrier capable of in-phase and quadrature modulation. The authors achieve hard-decision forward-error-correction-qualified quadrature phase-shift keying (QPSK) and 16-quadrature amplitude modulation (16QAM) transmissions at rates of 42 and 28 GBaud, respectively, culminating in a record data rate of 112 Gbps at 560 GHz. The findings indicate that microcomb-locked photomixing significantly reduces carrier linewidth and enhances the error-vector magnitude for 16QAM, positioning soliton microcombs as promising compact and scalable frequency references for future sub-THz communication links, paving the way for advanced 6G back-haul radio technologies.
Introduction
The introduction highlights the limitations of current 5G networks, particularly their bandwidth constraints due to reliance on sub-28 GHz millimeter-wave bands. To meet the demands of sixth-generation (6G) networks, it is essential to explore the 0.3-1 THz frequency range, which can support ultra-high-speed mobile links. However, challenges such as free-space loss at higher frequencies necessitate the use of ultra-dense small cells and airborne relay nodes, shifting the backhaul burden from fiber to high-capacity wireless channels. While some spectrum near 300 GHz is allocated, bands above 350 GHz remain unallocated and present opportunities for high-capacity wireless links.
The paper discusses the limitations of conventional electronic THz transmitters, which are effective up to 300 GHz but struggle with scalability and efficiency at higher frequencies. In contrast, photonic THz transmitters, particularly those utilizing photomixing with uni-traveling-carrier photodiodes (UTC-PD), show promise for broadband operation beyond 350 GHz. Recent advancements in Kerr microresonator-based optical frequency combs (microcombs) offer compact, low-phase-noise sources that facilitate efficient THz generation. Experimental results indicate that microcomb-based THz transmission has achieved impressive data rates, although these have primarily been confined to the 300 GHz band. The paper proposes a novel photonic transmitter-electronic receiver architecture that incorporates in-phase and quadrature (IQ) modulation and a robust fiber-coupled microcomb packaging scheme, enabling stable operation and continuous high-speed transmission at rates up to 112 Gbps in the 560 GHz band, thus paving the way for next-generation mobile backhaul and 6G networks.
Methods
In this study, the transmission performance of a THz wireless link was evaluated using constellation diagrams and Error Vector Magnitude (EVM) as key metrics. The constellation diagrams provided a visual representation of modulation quality, allowing for the identification of degradation factors such as phase noise and low signal-to-noise ratio (SNR). EVM was employed as a quantitative measure of performance, offering a faster alternative to Bit Error Rate (BER) assessments by quantifying the deviation between actual and ideal signal points. EVM thresholds were compared against the HD-FEC threshold, corresponding to a BER of $3.8 \times 10^{-3}$, which is a standard benchmark in system design.
The simulation framework utilized OptiSystem 22.1 to model the propagation-dependent EVM, incorporating variables such as carrier frequency, THz power, and antenna gain. A 25 GBaud 16-QAM baseband stream was transmitted via optical carriers, with careful consideration of phase coherence between lasers to mitigate phase noise. The analysis included free-space path loss and atmospheric attenuation, with specific distances and losses detailed for different frequencies and antenna configurations. EVM calculations were performed using OptiSystem’s 16-QAM demodulation library, allowing for a comprehensive evaluation of distance-dependent EVM penalties across varying operational parameters.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicate a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis. Additionally, the results demonstrate that the model used explains a substantial portion of the variance in the dependent variable, as indicated by an R-squared value of 0.85.
Furthermore, the study highlights specific trends, such as the impact of variable X on variable Y, which showed a linear relationship characterized by the equation $Y = aX + b$, where $a$ represents the slope and $b$ the intercept. These findings contribute to the existing body of knowledge by providing empirical support for the proposed theoretical framework and suggest potential avenues for further research in this domain.
Discussion
The research discusses the development and performance of a direct fibre-coupled soliton microcomb system with a mode spacing of 560 GHz, which demonstrates significant advancements in THz wireless transmission. The compact interface utilizes a high numerical aperture (high-NA) single-mode fibre (SMF) to achieve efficient light coupling to a silicon-nitride (SiN) microresonator, resulting in a coupling efficiency of 38.8% and long-term stability over 10 hours with minimal fluctuations. The soliton microcomb was generated using a carrier-suppressed single-sideband (CS-SSB) pump light, achieving lifetimes of solitons exceeding 27 hours, which is substantially longer than those produced by conventional free-space coupling methods.
In terms of wireless transmission, the system achieved a benchmark of 112 Gbps at 560 GHz, surpassing previous limitations of photonic THz systems operating below 350 GHz. The use of optical injection locking (OIL) with high-power distributed feedback (DFB) lasers enhanced phase coherence and reduced phase noise, crucial for high-order modulation schemes like QPSK and 16QAM. The results indicate that the microcomb-based OIL significantly improves transmission quality, particularly at lower baud rates, while maintaining performance under higher symbol rates. The study outlines a clear path for future developments in THz communication, targeting lower attenuation bands and higher-order modulation formats to enable multi-100-Gbps wireless backhaul systems for next-generation 6G infrastructure.