太赫兹通信技术的研究与展望

2018-03-21孙建国

数字通信世界 2018年10期

孙建国

（沈阳新杉电子工程有限公司，沈阳 110168）

在信息理论的研究领域，研究专家结合以往的分析经验提出了著名的edholm带宽规律，这一规律揭示了带宽发展过程中平均每十八个月无线传输速率就会增长两倍以上。在实际的应用环境中，这一规律也得到了验证。1984年无线遥测数据传输速率低于每秒1kb，而到了2010年，802.11n协议的无线网络要求速率需达到每秒100Mb以上。而在未来的数据传输中，更高的数据传输量和更高的速率要求，使得通信技术必须创新。

1 太赫兹通信技术的研究现状

1.1 太赫兹通信技术的优势

太赫兹通信技术当中所运用的太赫兹，为电磁波中十分具有代表性的波段，这一波段位于毫米波段和红外光波段中间，其主要的覆盖波长约为30μm至3mm之间，在频率方面则可以达到100G赫兹标准，最高可达到10T赫兹，因此被称为太赫兹（THz）。相比于以往所应用的通信电磁波，太赫兹在实际应用中主要具有较高的穿透能力，同时由于其所处的频段特点和单脉冲频带宽特点，使得其能够具有时间和空间干扰性优势，同时光子能量偏低等特征，在通信领域中独树一帜。

随着通信技术的发展和通信需求的不断提升，越来越多的研究人员希望借助太赫兹作为载波信号进行高速的无线通信传输，从而达到未来每秒10Gb标准的通信速率。但是在目前的研究中，这一目标尚未实现，太赫兹通信技术主要应用于以下两个方面的技术领域之中。首先是微波通信技术领域，在目前的毫米波通信频段技术领域之中，研究人员通过太赫兹技术进行多值调制，实现了频谱效率利用率的提升，并拓宽了信道的容量；其次，在波分复用技术当中，应用太赫兹技术使其能够与自由空间光技术相互协同，最终达到高速通信的目的[1]。然而这两种太赫兹技术的应用相较于更为直接的太赫兹载波而言仍然具有着较为明显的缺陷，其中微波段通信虽然已经相对成熟，但是其所处的波段特征和调制方式使得其窄带宽特点显露无遗，难以满足更为复杂、更为巨量的数据通信；而自由空间光技术的应用也受到其自身传播特征的制约，要求数据载波必须在光波通信的环境中完成，但是其受到环境干扰相对严重，进而造成了其通信速率的降低。

1.2 太赫兹通信技术所解决的通信问题

在现阶段的通信技术中，人们所能够常规接触到的如手机通信等，都是微波频率的无线通信系统。这种无线通信一般载频不会超过20G赫兹，通常处于K波段或者Ka波段之内，受到技术制约和发展需求两个方面的影响，这种微波频率无线通信难以满足更高的无线通信速率需求。太赫兹通信技术作为下一代通信技术的研究方向，是为了满足于未来通信发展所构建的具有更高通信速率能力的通信技术。研究人员认为，太赫兹通信将与超宽带、自由空间等通信技术一道，成为未来主流的高速率、巨量数据通信技术，并预计在2020年前后达到技术成熟标准，取代现有无线局域网通信技术。

相比于目前常见的手机通信，太赫兹的频段特征使得其频带具有高出三到四个量级的优势，从而为无线通信提供更为巨大的带宽。在理论研究中也以明确，通信领域中，通信所需的载波频率与其通信速率呈正比，因此随着载波频率的不断增加，其所能够承担的速率也会明显上升。例如在ASK调制方式之中，通信载波一般以载波频率的20%进行通信，经过计算，想要达到100Gb每秒的通信速率，载波频段必须达到300-500G赫兹这一标准。

当太赫兹处于大气层外侧时，受到空间环境的影响，太赫兹的传输衰减率会达到最低，这使得太赫兹对于载波信号的保真率达到最高。与一般的光波段相比，太赫兹的波长较长，因此在进行通信硬件加工时也更加方便。经测算，太赫兹无线通信在具体应用中，能够利用大气层的环境优势，具有穿透等离子体的优势，从而借助人造卫星保障与地面之间的通信。以往所采用的微波信号在进行无线通信的过程中，由于无法完成针对等离子层的穿越，因此在进行卫星通信时往往会出现信号中断现象，这一现象被称为“黑障”。而太赫兹技术的应用下，由于其能够完成对等离子层的穿越，从而完美地解决了通信“黑障”这一问题。

此外，在地面通信技术中，太赫兹技术还具有极强的抗干扰性和难截获性，前者能够保证太赫兹信号在诸如沙尘暴、暴雨等极端天气下正常运行，而后者则能够保证在军事、国家机密等通信领域具有更高的安全性。

1.3 太赫兹通信技术相关器件

太赫兹应用于无线通信领域，一般需要具备太赫兹源以及太赫兹调制器两部分器件。

1.3.1 太赫兹源

太赫兹所处的波段位置十分特殊，由于其位于毫米波与红外光波之间，因此其代表了微博电子和光学研究的过渡区域，其所具有的价值和特性也广为人知。但是收到其功率和稳定性的影响，目前技术研究相对缓慢，其中太赫兹信号发生作为主要的技术难题，困扰着研究领域。现阶段利用技术条件进行太赫兹发射的功率基本停留在毫瓦这一量级之内，大功率太赫兹源的寻找依然十分艰难。

常规的太赫兹信号源研究一般集中在电子方法获取，通过靠近红外波段的光学手段来完成，例如QCL（量子激光器）通过利用单级器件使电子能够在不同能级之间完成跃迁，从而获取太赫兹波。此外，也有研究人员希望借助光电二极管设备，进行太赫兹信号源的获取。光电二极管设备需要具备两个层级，其中一个层级为P型中性光吸收层级，而另一个层级则为N型宽带隙集结层级，这种结构能够利用有源载流的方式生产出具有太赫兹波特性的光生载流子，而N型层的迁移速度则逐渐增快，最终达到产生太赫兹波的目的。

1.3.2 太赫兹调制器

由于现阶段光波段通信所采用的调制技术无法直接应用于太赫兹波段，因此在太赫兹通信技术的应用要求下，必须进行全新的调制器设计，从而满足太赫兹通信所必要的高速传输结构。随着技术发展，越来越多的研制材料投入到调制器的研发和制作当中，其中，石墨烯材料、相变材料、光子晶体等，成为现阶段常见的调制器生产材料，各种材料也在不同程度上保障了太赫兹信号的调制性能。

2 太赫兹通信技术的发展与展望

2.1 太赫兹通信系统平台建设

系统化的发展是太赫兹通信技术近年来的发展方向，在国内外的研究中，已经出现了部分能够实际应用于巨量数据传输和高速传输速率条件的太赫兹通信平台。例如在有线通信平台设计和构建当中，研究人员就通过有线误码率测量模块和有线通信视频传输模块共同构建了太赫兹有线传输平台[2]。其中有线误码率测量模块主要通过基带测试的方式，通过发射机生成的帧头数据递增包的方式，对相同发射机的数据包和接收数据解码进行对比，从而判断其误码情况；而在视频传输模块当中，则利用PC设备与基带发射机相互连接，从而形成拥有了信源编码能力的发射设备，同时通过建设信源解码模块，将发射机与接收机之间运用同轴电缆完成连接，最终实现太赫兹信号数据的实时视频传输能力。

而在无线平台的建设设计中，研究人员则充分利用太赫兹信号的衰减频率，设计了不加装天线设备的近场通信平台系统。在系统当中，硬件设备至包含基带发射机、PC终端、放大电路、调制器以及太赫兹源等，其中，PC终端主要任务在于对信号源进行编码，再由发射机进行编码新到设置。此时调制器通过驱动装置，对电流进行模拟信号设置，从而实现电流0偏压。系统平台在实际通信应用中效果明显，载波标准为330G赫兹，调制器速率最高达到500M赫兹，完成高速的近场通信。

2.2 固态太赫兹电路技术

在无线通信领域的技术研究中，太赫兹技术主要的应用场景集中在地面无线通信和雷达成像两个领域。而在这两个领域中，外差接收是二者共同需要具备的信息接收机制，因此外差接收机制中的频率变换电路、信号放大电路等成为主要的技术革新方向。但在太赫兹电路中，III-V族的化合物半导体技术尚不成熟，因此利用这一化合物所进行的半导体晶体管设计无法满足应用需求，使得固态放大器相对缺乏。而在太赫兹技术领域，利用固态电路进行放大器设置已经成为未来发展的主要方向，研究领域开始将固态混频器和固态倍频器作为研究创新的目标。

基于设计和太赫兹通信技术的要求，固态混频器要求具备极高的噪声性能，同时在进行信号接收时，信号接收端需要能够快速实现低噪声接收能力，从而完成对微弱信号的接收工作。而固态倍频器主要能力应当体现在运行效率等方面，从而利用肖特基势垒二极管进行半导体设备的工艺生产。通过这类生产项目能够保证太赫兹通信能够拥有更加广泛的应用场景，在射电天文甚至是空间探索等高精尖科技领域得到应用。

2.3 石墨烯调制器研究

在太赫兹调制器的研究方面，研究领域开始倾向寻找更具性能优势的新材料，其中石墨烯材料的应用价值被研究人员所发现。基于以往半导体硅的研究，研究人员开始将石墨烯与硅材料相互融合，通过硅基片转移的方式，加入石墨烯材料，从而提升太赫兹的调制功能。例如某研究机构采用石墨烯CVD法进行合成，通过高电阻硅片覆膜的方式，实现了高电阻率的调制器性能提升，效果十分显著。