ทีมนักวิจัยของ John. A Paulson School of Engineering and Applied Sciences แห่งมหาวิทยาลัย Harvard ได้เผยแพร่ผลการทดลองวิจัยใช้เลเซอร์มาช่วยในการสื่อสารแบบไร้สาย โดยเลเซอร์จะปล่อยคลื่นไมโครเวฟมาใช้เพื่อการสื่อสาร ซึ่งช่วยพิสูจน์ความเป็นไปได้ในการพัฒนาระบบสื่อสารแบบไร้สายด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่จะสามารถรองรับความเร็วในการสื่อสารได้เหนือกว่าเทคโนโลยี 5G ในปัจจุบันหลายร้อยเท่า

ว่ากันเรื่องหลักการเรื่องการสื่อสารแบบไร้สายด้วยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านั้น ยิ่งใช้คลื่นพาหะที่มีความถี่สูงก็จะสามารถรองรับการรับส่งข้อมูลที่มีปริมาณหรือความเร็วเพิ่มมากขึ้นได้ การปลดล็อกขีดจำกัดความเร็วในการสื่อสารแบบไร้สายของเทคโนโลยีในแต่ละยุค จึงหมายถึงการหาวิธีใช้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความถี่สูงมากยิ่งขึ้นมาเป็นสื่อกลางในการรับ-ส่งข้อมูล ซึ่งงานวิจัยจาก Harvard นี้คือการสร้างอุปกรณ์ต้นแบบเพื่อพิสูจน์แนวคิดว่ามันมีทางเป็นไปได้จริงที่จะเอาคลื่นที่มีความถี่สูงกว่าคลื่นที่เราใช้กันอยู่มาใช้งานเพื่อสื่อสารแบบไร้สาย

อุปกรณ์ของทีมวิจัยจาก SEAS ใช้อุปกรณ์เลเซอร์ปล่อยและรับคลื่นไมโครเวฟ โดยข้อมูลที่ใช้รับ-ส่งคือภาพวาด "Bleu II" (ภาพจาก Harvad John. A Paulson School of Engineering and Applied Sciences)

จากยุคแรกที่มีการพัฒนาวิทยุซึ่งใช้การส่งสัญญาณด้วยคลื่นวิทยุในช่วงความถี่ราว 50 MHz มาถึงปัจจุบันที่เทคโนโลยี 5G ทำให้เราดูวิดีโอผ่านอินเทอร์เน็ตไร้สายกันได้ด้วยคลื่นความถี่สูงถึงย่าน 40 GHz (ในทางทฤษฎีคือไปได้ถึง 300 GHz) หรือการใช้งาน Wi-Fi ที่อาศัยคลื่นความถี่ 5 GHz ที่ทำให้การสตรีมข้อมูลเป็นไปอย่างลื่นไหล จะยิ่งเห็นชัดว่าตัวเลขความถี่ของคลื่นที่ใช้สัมพันธ์กับความเร็วในการรับ-ส่งข้อมูลและปริมาณข้อมูลที่ถูกรับ-ส่งซึ่งเพิ่มขึ้นอย่างมากในปัจจุบัน

ข้อมูลย่านความถี่ 5G ที่มีการใช้งานในหลายประเทศในปัจจุบัน (ภาพจาก Nokia White Paper)

อันว่าการสื่อสารในยุค 5G ที่กำลังแพร่กระจายในประเทศต่างๆ ทั่วโลกในตอนนี้เป็นการใช้คลื่นที่เรียกว่า "คลื่น millimeter" เป็นพาหะในการรับ-ส่งข้อมูล ซึ่งชื่อเรียกดังกล่าวเป็นการสื่อถึงความยาวของคลื่นที่ถูกนำมาใช้ ส่วนคลื่นที่คาดกันว่าจะเป็นพระเอกของการสื่อสารยุคถัดไปคือคลื่นที่มีความยาวคลื่นน้อยกว่าหลักมิลลิเมตร และตอนนี้ก็มีคำเรียกคลื่นความถี่สูงเหล่านั้นว่า "คลื่น terahertz" (เปลี่ยนมาเรียกชื่อโดยอิงตามระดับความถี่ของคลื่นแทนขนาดความยาวคลื่น)

กลับมาที่งานวิจัยของ SEAS ที่เพิ่งเผยแพร่นี้ เป็นการสร้างอุปกรณ์ที่ต่อยอดงานวิจัยเมื่อ 2 ปีก่อนจากสถาบันเดียวกัน โดยในตอนนั้นเป็นการพัฒนาการใช้ optical frequency comb ซึ่งหมายถึงเลเซอร์ที่มีการปล่อยแสงในหลายๆ ความถี่ โดยกราฟของสเปกตรัมคลื่นแสงที่ได้จากเลเซอร์นี้จะมีลักษณะเป็นเส้นๆ หลายเส้น เว้นช่วงห่างเท่าๆ กัน อันเป็นที่มาของชื่อเรียกว่า comb (คือมีการปล่อยคลื่นแสงเฉพาะบางความถี่ โดยแต่ละความถี่ของแสงที่ถูกปล่อยออกมานั้นจะเว้นช่วงห่างย่านความถี่เท่าๆ กัน) ต่างจากเลเซอร์ทั่วไปที่มีการปล่อยคลื่นที่ความถี่ใดความถี่หนึ่งเท่านั้น ทีมวิจัยเมื่อ 2 ปีก่อนได้ใช้ optical frequency comb นี้ทดลองปล่อยแสงในย่านความถี่อินฟราเรดได้สำเร็จ เป็นการปูทางว่าสามาถสร้างอุปกรณ์เพื่อการส่งสัญญาณด้วยคลื่น terahertz ได้

ภาพแสดงตัวอย่างการปล่อยคลื่นแสงของ optical frequency comb (ภาพจาก Harvad John. A Paulson School of Engineering and Applied Sciences)

จากนั้นอีก 2 ปีให้หลังในงานวิจัยล่าสุดนี้ ทีมวิจัยของ SEAS ก็ได้หยิบเอาผลงานดังกล่าวมาต่อยอด ทว่าพวกเขาไม่ได้พัฒนาเทคนิคการใช้คลื่นแสงอินฟราเรดที่ถูกปล่อยออกจาก optical frequency comb มาเป็นคลื่นพาหะรับ-ส่งข้อมูลโดยตรง หากแต่ใช้อุปกรณ์ดังกล่าวมาประยุกต์ใช้งานการสื่อสารด้วยคลื่นไมโครเวฟแทน

ทีมวิจัยพบว่าคลื่นแสงจาก optical frequency comb นั้นมีการ "กระแทก" กันในตัวเลเซอร์ และทำให้อนุภาคอิเล็กตรอนในเลเซอร์เกิดการสั่นไหวด้วยความถี่ในช่วงคลื่นไมโครเวฟอันถือเป็นย่านความถี่ที่ใช้กันในการสื่อสารไร้สายตอนนี้ พวกเขาพัฒนาส่วนการแปลงข้อมูลที่จะใช้สั่งให้ optical frequency comb ทำการปล่อยคลื่นแสงอินฟราเรดแต่ละความถี่ที่จะ "กระแทก" กันจนปลดปล่อยคลื่นไมโครเวฟได้ตามที่ต้องการ และพัฒนาหน่วยการแปลงข้อมูลคลื่นไมโครเวฟที่ได้มาให้อยู่ในรูปแบบข้อมูลพร้อมใช้งาน เรียกว่าเป็นการสร้าง "วิทยุเลเซอร์"

แม้จะบอกว่างานวิจัยนี้ใช้การรับ-ส่งข้อมูลด้วยคลื่นไมโครเวฟเช่นเดียวกับอุปกรณ์ๆ อื่นที่ใช้งานอยู่ทั่วไปในปัจจุบัน แต่คลื่นไมโครเวฟที่ได้จาก optical frequency comb ของทีมวิจัยนี้ใช้กลไกในการสร้างสัญญาณคลื่นเพื่อสื่อสารแตกต่างไปจากเทคโนโลยีในปัจจุบัน หากในอนาคตมีการปรับปรุงเทคนิคการใช้ optical frequency comb ได้อย่างมีประสิทธิภาพยิ่งขึ้น ก็อาจใช้คลื่นแสงที่ได้เป็นคลื่น terahertz มาใช้เป็นพาหะรับ-ส่งข้อมูลโดยตรง หรืออาจควบคุมให้ optical frequency comb ทำการปล่อยคลื่นแสงให้ "กระแทก" กันจนเกิดการปลดปล่อยคลื่น tetrahertz มาใช้เพื่อการรับ-ส่งข้อมูลได้สำเร็จก็เป็นได้

สำหรับเทคโนโลยีการสื่อสารไร้สายด้วยคลื่น terahertz ที่กำลังได้รับการศึกษาวิจัยกันอยู่นี้ จะอาศัยคลื่นในช่วงความถี่ 300 GHz ถึง 3 THz เป็นตัวกลางในการรับ-ส่งข้อมูล (จัดเป็นคลื่นอินฟราเรด (FIR)) ด้วยความถี่ที่สูงมากขึ้นเมื่อเทียบกับคลื่น millemeter (เป็นคำเรียกที่อ้างอิงจากช่วงระยะความยาวคลื่นสัญญาณ) ที่ใช้กันในระบบ 5G ซึ่งมีความถี่สูงสุดอยู่ที่ 300 GHz นั่นทำให้ในทางทฤษฎีแล้วความเร็วในการรับ-ส่งข้อมูลด้วยคลื่น terahertz นั้นจะเหนือกว่าระบบ 5G แต่ก็จะแลกมาด้วยระยะการสื่อสารที่หดสั้นลงอันเนื่องมาจากคุณสมบัติของคลื่นที่ความยาวคลื่นสั้นลงเมื่อเทียบกับของเดิม

ในงานประชุม Brooklyn 5G summit ซึ่งเป็นงานประชุมสัมมนาว่าด้วยเรื่องเทคโนโลยีการสื่อสารในยุค 5G ที่จัดขึ้นใน Silicon Valley เมื่อสัปดาห์ก่อน มีตัวแทนจากหน่วยงานวิจัยและตัวแทนองค์กรธุรกิจด้านโทรคมนาคมเข้าร่วมงานกันมากมาย Gerhard Fettweis ศาสตราจารย์จาก TU Dresden หนึ่งในผู้บรรยายของงานได้กล่าวถึงการทดลองวิจัยใช้คลื่น terahertz สามารถรับ-ส่งข้อมูลด้วยความเร็ว 1 Tbps (125 GBps) ได้ในระยะ 20 เมตร

แม้ว่าระยะการใช้งานระบบสื่อสารไร้สายด้วยคลื่น terahertz จะสั้นมาก แต่มันจะช่วยเพิ่มความครอบคลุมพื้นที่ให้บริการของระบบการสื่อสารแบบไร้สายในปัจจุบันให้เพิ่มมากขึ้น ทั้งยังรองรับการใช้งานที่มีความหนาแน่นของการรับ-ส่งข้อมูลเป็นปริมาณมากในพื้นที่กระจุกตัวได้ดียิ่งขึ้น ตัวอย่างเช่นการในพื้นที่จัดงานประชุมสัมมนา หรืองานแสดงคอนเสิร์ต และหากลองคิดเรื่องความเป็นไปได้ที่จะนำมันมาใช้งานทดแทนเทคโนโลยี Wi-Fi ที่ใช้กันแพร่หลายในปัจจุบัน (รองรับการรับ-ส่งข้อมูลด้วยความเร็วสูงสุดที่ 1300 Mbps) ก็ถือได้ว่าความเร็วที่เหนือกว่า 770 เท่า เป็นอะไรที่น่าสนใจมาก

ที่มา - Interecting Engineering, IEEE Spectrum, เอกสารงานวิจัย