太赫兹通信技术的研究与展望.pdf

第卷第期年月中国激光,文章编号一一一太赫兹通信技术的研究与展望姚 建锣,迟楠杨鹏飞崔 海霞汪静丽李九生徐 德刚丁欣天津大学精密仪器与光 电子工 程学 院,天津。,竺复口大学信息科学与工 程学 院通信科学 与工程系,上海。“长春理工大学光电信息学 院,吉林长春。注华 中科技大学 武汉光 电 国家实验室,湖北 武汉。了夕,吸、摘要太赫兹通信是一个极具应用前景的技术,太赫兹波有 非常宽的还没分配 的频带,并且 具有传输速率高、方 向性好、安全性 高、散射小及穿透性好等许多特性。发展太 赫兹通信技术已成为各发达 国家研究 的热 点。该文分析了国内外太赫兹通信的研究情况以太赫兹通信系统的 整体框架,全面地介 绍和分析了 太赫兹通信的 一些 关键技术和最新研究成果同时,对太赫兹的技 术发展 趋势和应用前景做展望 提 出了太赫兹技术 的发展战略。关键词太赫兹波太赫兹通信系统高速短距离无线互联通信太赫兹空 间通信中图分类号文献标识码。,艺艺。乙,抚刀乞咒乙亡。一刀尹,摊艺及乙了亡艺,艺食了乏,沙分乙云,艺之,介砚加怜艺名。乙召乙 已乙及乙艺乙户子工刀之矛 之艺,矛 之加了刀乏。艺之召之材母乙云乙,艺了 乙,尸汉 防乙艺了万,了 乙产之泛,了王户去、亡,。,艺介、亡艺。,夕,、乙厂,八,、孟夕厂艺儿,。,叩万,九,。,元 乙 元,了,之,。不汉、亡艺。,乙乙艺。军才。之,艺,、,艺万去,、,了,刃石之,抚乙东产艺了护一,引言背景太赫兹波 是 电磁 频 率 在。一波长在一拜之 间的电磁波,波段介于微波与远红外光之 间,如图所 示。波 的长波段与亚毫米波重合,其发展主要依靠电子学技术 短波段与红外线重合,发展 主要依靠光子 学技术。波的位置正好处于宏观经典理论 向微观量子理论的过渡区,它是最后一个人类 尚未 完全认知和利用 的频段仁。世纪年代以前,由于缺乏有效的源及检 测 技 术,致 使 人 们 对波段的认 识 非 常 有收稿日期一一收 到修改稿日期一一基 金项目国家计划和国家自然科学基金,资助 课题。作者简介姚建锉一,男,中国科学院院士,教授,博士生导师,主 要从事激光、光电子、非线性光学和太赫兹技术等方面 的研究。一中国光学学会会员 号一激光卷限,使得波 成为电磁波谱上的空隙。近十几 年来,激光技术的迅速发展为波的产生提供了稳定、可靠的激发光源,波 检测技 术 及 其应 用的研究也得到了蓬 勃 的发展阵一。相比于传统的电磁波和光 波,脉 冲 的典型脉 宽 在 皮秒量 级,不但可以方便地进行时 间分 辨的研究,而 且通 过取样测量技术,能 够 有 效 地 抑 制 背 景 辐 射 噪 声 的干扰川脉 冲源通常包括若干个 周期的 电磁 振荡,单 个脉冲的频 带可以覆盖从吉赫 兹至几 十 太 赫 兹 的范围由于它是 由相干电流驱动的偶极子振荡产生 的,或是由相干 的激光脉冲通过非线性 光学频率差频产生,因此有着很好的相干性 此外,光子 的能量只有一,不易破坏被检测 的物质,适合于 生物大分子与活性 物 质结 构的研 究而 且,辐射具有很好的穿透性,它能以很小的衰减穿透物质,如烟尘、墙壁、碳板、布料及 陶瓷等,在环境控制与国家安全方面能有效发挥作用。图太赫兹在电磁波谱中的位置基于以 上良好特性,波用 于 通信领域成 为了近几年来国内外研究 的热点。其中室内无线安全接入曰和高速短距 离 无 线互联 通 信正是超宽带无线通信带 宽的两个发展方 向。太赫兹波用 于通信的独特性质波介于微波与远红 外 光 之 间,处 于 电子学向光子学 的过渡领域,它 集 成了微 波 通信与光通信的优点,同时相比较种 现 有 通信手 段,波 表现 出了一些特有 的优良性质。相比较于微 波通信而言通信传输 的容 量 大,波的频 段 在一 之 间,比微 波 通信 高出一个 数量级,可提供 高达的无线传输速率,比当前 的超宽带技术快几百甚至 上千倍仁一”习波束更窄,方 向性 更好,可以探测更 小的 目标以及更精确地定位波具有 更 好 的 保 密 性 及 抗干扰 能力巨。一由于波 波 长 相对 更短,在完成 同样 功能 的情况下,天线的尺寸可以做得更小,其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。相比较于光通信而言光 子 能 量 低,只有一,这 大概 是光子能量 的,因此,相比于光通信而言,能量效率更高波 具 有 很 好 的穿 透 沙 尘 烟 雾 的能 力,一因此可以在大风沙尘以及浓烟等恶劣环境下进行正常通信工作仁,。当然,如图所示,波在 通 过大气时,水蒸气等导致 的强 吸收使得 其效率较 低,以及在目前的源中相对 低 的发射功率会 给太赫兹通信带来明显 的不利。但是,随着 高功率光源、高灵敏度的探测技术及高稳 定性 的系统日益突破,占有很多独特优势的太赫兹通信必将指日可待,。图太赫兹彼谱范围的大气衰减太赫兹通信系统结构在目前 的通信研究 中,主要以无线通信系统的设计研究为主,如图所示。其 中发射子系统、接收子系统、双工器和天线构成通信子系统。一般 的微波通信并没有捕获、跟踪和瞄准,简 称,子系统。考虑到波 的高频段比较接近光频,波束期姚建锉等太赫兹通信技术的研究与展望窄,在一些特别 的使用 环境下,需要采用子系统,但精度要求可以比光通信系统对子系统低。子系统实现对信号 的捕获、跟踪和瞄准,当跟踪和瞄准精度满足系统正常工作的要求时,启动通信子系统,建立通信链路,完成数据传输。而辅助功能子系统则通过遥测遥控模块接收建立通信链路的指令和相关参数,并输出遥测参数,进行通信终端工作模式的切换。图太赫兹通信框图一这种设计主要 是 为了实 现高速 无线接 入覆 盖。于无源光网络的大容量接人网一 一,需要 光纤经过一定的改进,可以实现高功率的空间通信。接入,目前技术比较成熟,但是受到安装和维护成本研究太赫兹通信 的重要 意义的限制另外一种方案就是 通 过 无线接人。无线接无线移 动通 信呈现 宽带化和移 动化 发展趋 势,人成本低,覆盖面广,特别是对那些偏僻的山区有着开拓新的频段成为未来无线通信的重要方 向。在过独特的优势。但是,带宽越大,需要的载波频率也就去的年里,无线 移 动 通信对 带 宽 的需求几 乎 每越高,按照摩尔定 律的增长 速度,在不久的将来,无个月 翻一 番。线通信 的载波就会进入波 潜范围,这就使得研技 术可广 泛 应用 于雷达、遥感、国土安全究通信成为必然的趋势。与反恐、高保 密的数 据 通 信 与传输、大 气 与环境 监由此可见,我国开展通信研究,对于抢 占带测、实时生物信息提取以及医学诊 断等领域。因此,宽资源,拓展无线通信带宽,具有非常高的找略意义。波的研究对国民经 济和国家 安全有重大 的应用价值。同时,由于太赫兹频段属 于空白频段,现在太赫兹通信国际研究发展概述没有分配执照,可望 提供固网和移 动网 的高服务质日本 的研究进 展仁卜”一量宽带 多媒体钊左 右 的无线业 务。年口本公司率先公 布了其最 新将频段用在通信领域还 刚刚起 步,目前商业设研究成果,毫米 波无线通信系统,该 套系备供应商和 国际标 准化 组 织 如和等正统可实现远距 离同时传输路 未压缩 的在研发通信并制定相应标准。高清晰度电视节目信号。根据新兴市场研究报告统计,全球系统技公司长期从事通信系统 的开发与研 究,其术市场份额在年达。万 美元,年后将增无线技术更是领跑全球。而太赫兹通信系统长到亿美 元,年 增 长率 约 为。目前国主要是无线通信系统,有着长期 的研究传统和成熟际上波的研 究 组织 主要 有个,分 布 在 美 国的研究条件的公司自然在太赫兹通信系统 领,欧 洲域处于领先地位。的目标是在将 来 几 年研 制,日本和中搭 建出比较成熟的的无线通信平 台。因此国。公司的研究成果值得关注。目前,我们已经 在 主干网上,通 过光 纤 化,密集目前比较成功的太赫兹通 信 系统 能够实波分复用等方案实 现 扩 容,同时,一些其现小于的进程传输和大于二的远程通信,他方案也被反复地讨论,力 图通 过 实 现全 光路 由以其系统 的简图如图所示。突破 电路 由带来的带宽 瓶 颈。但 是 在 接 人 网扩 容从图可以看到,系统采用 的是光学亚太上,各种方案都还不是很 成熟。一种解 决方 案 是基赫兹源,源 的结构细节如图所示,它的载波最初始国激光卷图无线通信系统简图比较简单,如图所示,近程天线 由一,狭缝天线和光学棱镜组成,其 中一和狭缝天线起到发射毫米波的作用,光 学棱镜 则对毫米波传播方向进行 聚焦和粗 略 的定 位。虽然一比一般的光 电二极 管转 换 效 率 要 高,但 毕 竟 能量有限,这种天线 一般 适用 于 通信距 离小于的情况。远程天线的结构就较 为复杂,如图所示,除了图搭 建的光微 波链路一光 源采用 的是 单 模 信 号 半 导 体 激 光 器,波长为在产生的信号过程 中采用 了光学外差法。单模激光器产生 的激光首先经过一个马赫曾德尔调制器,调制器在的射频调制频率作 用下把 原 来的单 模 脉冲展开 成 数个 间 隔的多模 激光束,此后 这个 激 光束被 引入一个平面波导回路才,这个回路 由一个 阵列波导光栅。刀和一个藕 合器组成刀舒刀各个频率通道 间 的 间 隔 约 为。各 模式的光入射到会被分开,进人不同的通 道 中。在刀的输出端其相邻的频道 间隔约 为。祸合器将其中两束相邻的通道藕合在一块,在刃 的输出端,系统得到了含有两个模式 的激光束,这两个模式的间隔为。将光束放 大 后,用此 光束照射,就得到了想要的的亚太赫兹载波。载波制得以后,又使用了一 个马赫一曾德 尔调制器用于信号的载入。载波通过 由信号作 为调制源的调制器时,将被加载上信号。此后,带信号 的载波将被进一步放大,然后送人发射天线。发射天线分 为远程和近程两种结构。近程结构一,它还添加了一 个 高倍 率 放 大器。这种 放大器是 由。样栅极高电子迁移率的传输 器薄片制 成 的。把一和整合到一个平面回路薄片上,完成对 电信号的放 大。而毫米波将 由馈电喇叭发射。与近程的天线类图远程天线期姚建锉等太赫兹通信技术的研究与展望似,远程天线也采用棱镜对毫米波进行定 向和聚焦。而在接收端,其接 收机仍采用比较普遍 的太 赫兹 波接受方式,即使用肖特基二极管,平面 天线接收毫米波,用低通滤波 器过滤 信号。远程 接收器添 加了前置放大器。日本大 学已经 研 制出频率达。,输 出功 率达数万 瓦的回旋 管。俄国科学研究 院应用物 理研究所 正在研制的回旋管,脉冲磁场,脉宽拼,电压,电流,输 出功率有望达。德国的研究进展,一川德国技术大学 高频段技术研究所的通信实验室在传输方面进行了大量的研究,主要分为自由空间信道特性研究,天线设计,的无线传输系统演示平 台设计,的无线传输系统演示平 台设计,通信所需的半导体器件设计。同时,该大学研究人员通过建立各种室内环境模拟,实验研究了在各种反射涂料以及反射镜对室内接 收装 置接 收信号的改善情况,以及发射接收装置 的覆盖接 收最优化 的空间位置 的建模研究,为将来室内无线通信提供了有 利的数据支持,并且预测在未来的年无线通信的速度将会 到达。同时,该大学已经建立了能够 在室 温条件下工作的新型半导体调制器,研 究人员将这一调制器与可 调时域光谱系统结合了起来,利用宽脉 冲,以的重复率 来传输 频率高于的音频信号。利用这一系统可以传输一张口上的音乐,据称在 另一端接收到 的音乐质量和通过 电话听到的音乐质量不相上下。美国的研究进展美国研 究所 成立了由张 希成 教 授 领 导 的技 术研究 项目组,其在波 的发射和探测,波 光谱和成像,波三维成像技术 等方面都进 行了众 多研究。此外,美国实 验室在技 术以及光 无线网络 方面进行了大量研究阳一川。美国研究人员 利用 电磁 波代替电流信号研发出能在下工作 的新型信号调制器 加利福尼亚大学圣巴巴拉分校以及美国宇航局埃姆斯研究 中心正在用自由电子激光器产生的高频 电磁波来控制调制器,这些 电磁波 由振荡 电场组成,用高频 电磁波进行调制比电子学线 路快 得 多。但 由于振 荡很难用现有 的技术 直接 观测,研 究人员现只能用 间接的方法来检测 调制速度。美国及欧 洲已开始使用自由 电子 激 光 器辐射源,据 估算,这 种 装 置 可产生。一的辐射,其亮 度可超过现有辐射源 的个数量级。此外,一,与大学 合 作 进 行 研 制的纳 米速 调管,频率可达。一,当工作电压 为时,其连续波输出功率可以高达。我国的研究 进展我国研究较国际上其他发达 国家开始较晚,但通过各研究单位团体及个人多年的不懈努力,现已取得一定的成果。国家科技部及 国家基金委等机构近年也支持了若干有关技术的,自然科学基金等大小项目。中国科学 院上海微 系统研究所在“十五”期间主要 承担了国家 自然科 学基 金 重大项目,国家 盯计划等项目,主要目标是器件的模拟及相关物理机制的探 索,并 对 固体源 和探 测 器等器件 的实现进行探索。在通信系统上,由中国科学院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室曹俊诚研究员负责的课 题 组 自 主 成功研 制了激 射 频率为的 量 子 级联 激 光器州。该器件 的整个研制过程,包括有源区材料生长、器件流片工艺以及 光 电特性测试等均 在中国科学院上海微系统所完成,为发展相关应用系统奠定了基础。中国科学 院物理研究所、上海应用物理研究所、首都师范大学等单位已经先后建立了时域光谱的实验室,在辐射探测和成像,时域光谱分析,的产生机理,脉 冲在 自由空间和 近场区域的传播规律以及在生物样品分析和瞬态光谱中的应用等方面开展了实验和理论研究。成都电子科技 大学在毫米 波辐射的传输、检测和应用、电子波抽运自由电子激光、一自由电子激光及一辐射等方面开 展了理论和实验方面的研究。南京大学在探测技术方面取得了重要成果。天津大学激 光与光电子研究所在基于光学、光子学 及非线性光学的辐射源,小型化、窄带连续、准 连续源 的研 究上已取 得 很 多重 要 成果,发表论文数十篇一。中国科 学 院紫金山天文台正在开展频段 的高灵敏度超导探测技术和测 量 器件的研 究,并致力于在天体物理和大气物理领域的应 用。激光卷西 安理工 大学 在新型光电导器件的研究,中国科学 院西安 光学 精密机 械研究所 在基于 飞秒激光 器的源研 究,上海交通大 学的辐射 与凝聚 态体系的相互作用的研 究,以及中山大学、深封大学 在。的研 究都获得了不 少成果。在通信成像方面,首都 师范大学张存林教授小组建立了一套透射式逐点 扫 描辐射成像装置刁,它 采用。、的晶体 作 为高功率、宽频谱的辐射源 和高灵敏度、低 噪声的 电光取样差分探测方法,具有对隐蔽 在非透明电介 质材料内物体 成像的能 力。井且,系统 能 够 获得 成像物体上每一 点的 光谱数 据,可以对 物 体 进 行 光谱 成像。对有效利用成像技 术和开展成像领域的相关研 究具有指导意义。太赫兹通信系统设计新设想及关键技术太赫兹通信系统 中,太 赫 兹信号的产生、发射、传播、调制编码、解调、接收 的完 整通信过程,涉及到太赫兹源的设计、太赫兹信号 的产生、太赫兹信号的性质研究、太赫兹的调制方案以及太赫兹接 收端的设计方案。同时,还应研究太赫兹无线通信与基于光纤 的太赫兹通信系统,解 决光通信 与无线通信网络共存与兼容问题,提出实现关键技术的方案。太赫兹系统的设计方案在原有无 线 通信研 究的成果上,针对波 大 气吸收比较严 重,其 损 耗 约 为”叼的问题,研 究人员提 出了光纤 载太赫兹通信研究方案。采用波分复用技术和光载毫米波宽带信号相 结 合的传 输 方 式,如图所示,它 包 括网络 数据为中频信号、总站、基站、移动终端,组 成光纤通信和无线通信系统。无线通信系统为毫米波无线通信的太赫兹信号。通信系统 由上行链路和下行链路组成,上行链路实现将毫米 波无线信号 由基站接收,进行光调制,通过光纤传送到总站 中心站,检波后为中频信号送给网络下行链路则反过来,将网络送来的中频信号在总站进行光调制,通过光纤传送到基站,在基站检波后为毫米波信号,由天线发射给无线移动终端。图波分复用通信系统示意图图中为光 合 波 器,为光 分波设计方案器,为掺 饵光纤 放 大器,表示光 载毫 米波如图所示,当两束中心波长为且频信号多波长光源,表示毫 米波无 线链 路,表示率差恰好在太赫兹频率范围的线偏振光束以很小的天线,表示 天线,为总站,为基站,夹角占在二一平面均匀人射光混频区域后,将会在为光检测器,表示上行数据,表示 下行数据。材料中形 成一个随时 间和 空间变化关键设备及技术分布的光强在这个光强的激励调制作用下,材料 中高功率太赫兹信 号发射机研究方案产生时空变化分布 的电子和 空穴浓度 在外部所加缺乏高功率发射源是太赫兹频段理论研究与应偏置电场和内部场强的作用下,电子和空 穴将会在用开发相对滞后的重要 原因。为此,高功率低 成本光混频区域形成一个 时空变化分布的光 电流,这个的太赫兹信号发射源例如 如何用全光 的方法来低光电流的调制频率恰好 等于两束光的中心频率差,成本产生毫米波信号源将为重要 的研 究内容。即太赫兹光电流。通过合理地设计衬底材料的厚度太赫兹产生 源和光混频区域 的面积,可将 这个光混 频区域 视 为一集成调制功 能的光混频 产生太 赫兹波器件个矩形微带天线,从 而可以使太赫兹光 电流直接向期姚建铃等太赫兹通信技术的研究 与展 望图工作在的集成天线结构的光混频示意图一,自由空间辐射产生 太赫兹波阳洲一。在以上的太赫兹 波产生方案 中,可以实现对 产生的太赫兹波 的振 幅、相位、频率调制效 果,基本 原理分别为幅度调制 产生 的太赫 兹 波强度 与两束抽运光的强度尸,尸以及 偏 置电压相 关,因此通过对尸,尸或、进行调制,即可实现 对产生的太赫兹波 的幅度进行调制相位调制 产生 的太 赫 兹 波 相 位 与两束抽运光 的人射夹 角韵相关,因此 通 过 对占进 行调制,即可实现对产生的太赫兹波进行相位调制频率调制产生 的太 赫 兹 波 频 率 等于两束人射光 的频率差,因此通过改变其中一 束光 的中心频率,即可实现对产生的太赫兹波进行频率调制。以上基于光混频 产生太 赫兹 波方 案,同时拥 有体积小、质量轻、易于集成、功耗低、室 温条件工作 的优点它具有集成 的太赫兹 波调试功能,可以同时实现太赫兹波的调幅、调频和调相功能另外,它 的器件抽运 光工作 波长 为,可以采用 光 通信中成熟的光源技术,并且 为实 现未来光通信系统 与太赫兹无线短距离通信系统 的“无缝结 合”提供可能。然而,这种方案产生的太赫兹波功率太低,理论结果表明,产生的太赫兹波功率尚在纳瓦量 级,为了应用 于太赫兹无线短距 离通信系统 中,必 须提高太赫兹波输出功率。负微分电导产生上海理工大学超快电子 与太赫兹技术实验室朱亦鸣副教授小组实 验研究发现,超纯 本征砷 化 稼 中的负微分电导可持续到太赫兹波段,从而为制 备价格低 廉、高 效、简 单的 太赫兹振 荡 器源打下了基础了。高功率太 赫兹波 的产生针对节提出的源方 案 提出如下高功率方案提高抽运 光功率由理论 分析表明产生的太赫兹波 功率与抽运光功率的平方成正比,因此提高抽运光功率可以有效地提高太赫兹波 的输出功率。但是,这会带 来散 热问题。由于光混频区域非常小拌义拜,提 高抽运 光功率密度将会导致光混频区域温度迅 速升一高最 终导致器件的热 损伤。因此为了提高器 件可以承受的最高抽运光强,必须提高器件的散热性 能。对于传统的工作 在附近采用低温生长矛材料制作的 光混频 器件已报道了通过在衬底材 料和一八、材料之 间生长一 层热传导性更好的层,可以显著地 提高器件可以承受 的最高光 功率 从而提高产生的 太 赫 兹 波 的功率。器件阵列集 成尽 管 单个光混频器件 产生的太赫 兹 波功率很低,但是由于产生 的 太赫兹波 相位可以通 过入射 光的 夹角进行控制,因此这 为通过光混频器件 的阵列图光混频器件阵列集成方案抽运光源 人射方 案。、川一一飞以激光卷集 成来提高输出功率提 供了 可能。年,等一州 已发 表一工作在附近采用一一、材料 制 作的光 混 频器件 阵列集成来提 高太赫兹波输出功率的研 究报道,结果显示,通过器件 阵列集成,可以有 效地 将 太赫 兹 波输出功率提高个数量 级,达到几个微瓦。图。川和图显示了等所 采用的一 种器 件集成方案的基本原理图。图带宽发射机结构图限制放大器构成。从光 纤 进 人 的数据通 过转换器被转化成电信号,然后进人电路和限制放大器。时钟发生器产生种频率作 为电路 的参考时钟,包括有无前 向纠错的一和有 无的以太网的时钟。图器件阵列集成的二面视图一一尹夕通 过 对比两种 方 案可以得出,由于太赫兹波输出功率 与抽运光功 率 成 二 次关 系,而 与器件 阵列集成个数近似成一 次关系,因此 当抽运光强度一定的条件下,减少器 件陈 列集成 个 数而提高单个器件所能承受的最高光功率将会更有效地提高太赫兹波输出功率。通过综 合两种提高产生太赫 兹 波的方案,可以有效地提高太赫兹 波输出功率,达 到微瓦量级甚至更高,从而可以有效 地 应用于太赫 兹 短距 离 无线通信系统 中。太赫兹无线链路发射机系统方案无线链路发射机 由射频 块、基 带 块、功率 控制块和天线构成。其 中射频块 由发射机模 块、功率 放大器模块和锁相振 荡 器构 成。结 构图如图所示。发射机模块使用了。拜门电路,它包 括倍频 器、振 幅偏移 键控 模块和放大 器。由产生 的信号 在中 由一三 级倍频,乘得到。利用功率放大模块将发射机 的输 出功率增加到。在具有左右 的增益。两个呱都被集成到波导模块 包图所示上。基带块 由转换器、时钟和数据恢复电路、时钟发生器和一图波导模块 包在发 射 机和接 收机中,功率控 制 块 将 外 部一直流 电转 换 为可 用于元件 的电压,同时它可以监控 系统参数,例如 电压、电流、温度和湿度。由于全电毫米 波模块,使得可以分别集成发射机和接收机所需的块到 一个防风雨盒,这样可以降低功率损耗使得 电池运行变成可能。天线置于防风雨天线屏蔽器 内,是可分离的。这 样系统设计成可以运行于 阳光直射、周围温度小于的情况 下。对于高增益天线,利用了蜗 轮齿 轮头和 望 远镜探测器。事先将 相距左 右 的天线 轴和探测 器轴进行对 准,由于良好的对 准,使得 相 隔左右时,只需要简单瞄准探测器,就可以接收到足够的输人功率。发射机天线屏蔽器的直径大约。改进了无线链路,使用了用于产生、调制和放 大信号。可 望获得 在误 码率为一时,、的信号传输距离为,最大的传输距离估计可达。期姚建铃等太赫兹通信技术 的研究与展望高灵敏度太赫 兹探测技术研究高灵敏 度探测技 术,也 是 太赫兹 频 段 理论研究与应用开发的一个瓶 颈。对于太赫 兹探测,研究人员也提出了很 多方案。传统太赫兹波探测技术源的低发射 功 率及相对较高的热 背 景藕合,决定了在太赫兹通信 中需要灵敏且体积小 的探测器。传统 的探测器主要包括超导混频技术吕一以及利用声子、电子散射冷却机制发展起来的热电子测热电阻混频器沁。其 中混频技术是以光子辅助隧穿机 制 为理论基 础 的,探测频率范 围约 为。一,需在液氦温度下工作。这显然不适合太赫兹通 信的要求,太赫兹通信 中的探 测 器必 须轻便,可以在室温下或者大温度范围内工作。与混 频 技 术相比,在 探 测以上的辐射时有 更好 的性能表现,其响应频率更快,目前可探测的最高频率约达。,噪声温度约为量子极 限 的倍左右习。这 些探测技术使用方便,但是只能测 出强度,仅 做 非相 干测量,它不 能提供相位信 息,其灵敏 度 也 受 背 景 辐射的 限制口】。这对于做 相位调制的相 干太 赫 兹 通 信而言也是不合适的。太赫兹通信探测器研究人员在寻找适合太赫兹通信的探测器上也做了大量 的研究。目前报道比较成功的探测器主要有 基于的空间肖特 基光 电二 极 管太赫 兹 探 测器山和中 国科 学 院上海 微 系统研究所课 题组 曹俊 诚研究 员与加 拿大国家研究院微结构研究所采用的基于抛物带有效质量 近似和三维 漂 移一扩 散器件 模 拟 方 法 设计的仁卜。基于的空间 肖特基光电二极管太赫兹探测 器 目前报道 的探测频率可 达,结构如图所示。这种 结 构 的半导体太赫兹 探 测 器通过基于的获 得很 低 的 晶体 管电容,因此对比传统的肖特基二极管,其截止频率得 到了极大的提高,并使之响应的信号。这种探测器在日本的太赫兹通信系统演示接收机模块 中得到了应用比,。中国科学 院上海微系统所研究的基于抛物带有效质量近似和三维漂移一扩散器件模拟方法设 计 的,首次实现了一种能工作在光子能量小于的,其峰值探测频率为波 长拼笋。其 结 构如图所示月,。图为无偏压情形,图为有偏压情形。量子阱中的束缚电子 吸收光子彻后,跃迁到连续 态,在外 电场作用下形成光电流吕,口。图一种适合太赫兹通信用 的探测器一图器件结构和能带示意图宝。该探测器在我 国的首个太赫兹无线通信演示上得到了应用。中国科学 院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室曹俊诚太赫兹研究团队实现 了基于太赫兹量子级 联激 光器一洲和太赫兹量子阱探测器一的无线通信演示,利用该通信系 统 成 功 演示了文件 的传输,通信频 点为。其他探测技术最近也有报道,采用激光等离子体气体进行太赫兹波 的探测。等也提出了基于的超导隧道节的半导体太赫兹探测技术。这种材料可以直接检测或者通 过产生声子来进行间接检测。太赫兹接收机模块一种可能的太赫兹通信接收机结构如图所示,接收机 中,射频块 由接收机模块构成,接收机模块 包 括 低 噪声放 大器和解调国微光卷器。接收机集 成 到一个 波 导 模 块 包上。经过受限放大 器 的解调信号进入时 钟和数 据恢 复电路,然后经过转 换 器,输人到 外部 光纤中。自动增益控制八“电路用于 监控解 调信号和控 制低 噪声放大 器八的门 电压,这样 额外 的功率就无法进人最终的放大器从 而避免超载。玖矶冬三。,一带 宽接 收机的结 构困从,一。一,二一。高速太赫兹 波 调制 器设计方案中国计 量学 院李九生副教授提出一 种简单可行的光子 晶体调制器如图所示,没有外加 激光时太赫兹 波顺 利 通 过光子 晶体如图所 示,没有被调制当有 外力激 光时,由于载流 子作用,硅光子品体产生禁带 移 动,太 赫 兹 波无 法 通 过光子 晶体,从实现太赫兹 波的强度调制。信令部分采用低码率的。编码方案”川计算机仿真表明,码在低信噪比下表现出接近 于香农极限 的优异的误比特率性能,它不但 在抵御加性 高斯 噪声方面性 能优越,而且具有很强的抗衰落、抗 干扰能力,其优越的纠错性能是前 向 纠 错 编码领 域的 一个 重要里 程 碑。这使得码在深空通信、卫星通信、移动通信及其他通信系统 中都具有广 阔的应用前景。码的核心思想是子编码器的级联和迭代泽码算法,其 中交 织 器 的 引人起到了非 常重 要的作用。编码器由两个子编码器通过交织 器并行级联,经过删截 与 复接得到 编码 数据 流。在盯。码 的各种软输人软 输出译 码 算法中,最大后验 概率算法 的性能最好,译码器结构见图。矛算法是算法在对数域 中的实现。可把繁琐的指数和乘除运算转 化 为加减运 算,降低了运算 复杂度。算法对八算法做了近似运算,进一步降低了运算复杂度,比算法 要损失一的增益。一一一只图太赫 兹波调制不意图、。仃图光子晶体结构示意图,、适用于 太赫兹系统的高效信道编码方案高效信道编码可以为太赫兹波传输性能提供较大的性能增益。为了适 应不同的数据格 式,要为控制信令和数据提供不同的编码方案。图译码器一丁。数据部分采用高码率的一编码方案、码是近些年来受到一泛关注的一种 纠错码,它与码有 着相似的构成原则。码的特点是性 能优于盯。码,具有较 大灵活性和较低的差错平 戊特性、描述简单,对严格 的 理 论 分 析 具 有可验证性译 码 复 杂 度 低于。码,且可实 现 完 全 的并 行操 作,硬件 复杂 度低,因而适合硬件实现吞吐量 大,极 具高速译码潜力,更适合高码率数据部分 的传输应用。适用于太赫兹系统的先进电信号处理算法方案研究我们也将研究先进 电信号接收处理算法的应用可能性,如正交频 分 复用技 术,丁,二。以此为太赫兹无线通信系统 提供有效对抗多径效应,以及频谱利用率高的传输手段。正交频分复用是一种 多载波数字调制技术。它的基本原理是将高速 串行数据变换成多路相对低速期姚建锉等太赫兹通信技术的研究与展 望的并行数据并用不 同的载波对其进行调制。且各载波频谱相互重 叠 但 是 在整个符号 周 期内满 足正交性,从而保证接 收端能够不失真地恢复再生原信号。其调制框图如 图所示。其 中数据 编码器用来 将输人 的二进制比特转化为电的脉冲信号。一、一伽桥,、亡,助助助助助毓、八八八,。、艾口一佗佗佗、史伽。图。调制框图但是 由于 上述方法所需设备非 常复杂,当很复杂度,目前采用离散傅里叶变换和反变换大时,需要 大量 的正弦发生器、滤 波 器、调制 器和解来实现调制以及解调功能,如 图调器等设备,因此系统 非 常 昂贵。为了降低 成本和所示。澎日比】珑肿图用实 现。调制框图技术之 所以应 用 到各 种 无 线 接 人 系统接收滤波器,大大增 加了系统 的复杂度和成本。而中是 由于它具有以下优点现代的系统 的各子载 波 的产生和接 收都由抗 多径衰落的能力强数字信号处理算法完成,极大地简化了系统 的结构,并行 传输 体 制大 大扩展了符 号 的脉 冲宽度,提降低了成本。高了抗多径 衰落的性 能。且 由于一般 的系均衡简单统均采用循环前方式,使 得它在一定 条件下可的子载 波把整个信道划 分成 许 多窄信以完全消除信号的多径传播造 成 的码 间干扰,完 全道,尽管整个信道有可能是极不平坦的衰落信道,但消除多径传播 对载波 间正交性的破坏。在各 子 信 道 上 的 衰落 却是近似 平 坦 的。这使得频谱利用率高系统子信道 的均衡特别简单,往往只需一个传统的频分复用方法 为了减小各个子载波间的抽头 的均衡器 即可。系统的调制和解调也相互串扰,各个子载波的频谱互不重叠,保持了足够可以采用 傅里叶正反变 换的快 速算法的频率 间 隔,降低了系 统的 频率 利用率。而现 代来实现,而数字信号 处理器的快 速 发系统采用数字信号 处理 技 术,采用了在整个展使得的实现变得更加容易了。符号间隔 内正交的载 波 提高了频谱的利用率。另太 赫兹多跳网络的设计方案外,的各个子信道上 还 可以采用多进制调制鉴于太赫兹通信在高频段运行,路径衰减严重。如频谱效率很高的,进一步提 高了而且,由于复 杂无 线 环 境 中阴影、阻 挡等因素的影系统的频谱效率。响,将使用户难以获得持续的高速率和高质量的通系统复杂度低、成本低信服务。多跳 中继一技术借助新型传统 的频分复用需要使用大量的发送滤波器和中继站的开发,可以降低无线网络布建成本,增加数咒几尸国激光卷据传输的可靠性,并提 升网络覆 盖 能 力以及系统 营理是通过伪随机交织器 产生不同的交织 图案,分配运效益叫。至多跳 中继各阶段系统根据最 优化时频资源分配为了解 决中 继 系统的 多跳 信号互干扰一理论,构建非正交化 的多跳传输信道。各 中继阶段。问题,提高多跳 中继 网络在 复杂无则利用 交织迭代技术进行 多跳信号 干扰消除,其通线环境 中的系统 传输 性 能,提出了基于交 织 迭代 的信方案参见 图。一多跳中继太赫兹通 信系统,其工作原图基于交织 迭代的无线 中继太赫兹网络工作原理示意图飞一一、注双时隙设计是 为避免系统 中相邻中继阶段 的藕合干扰问题,同一时隙甸个 中继阶段采用不同的交织器与现有,等中继 系统 容量相比,本项 目中的一中继系统在每跳 阶段可以占用全部的频域资源,可有更高的系统容量,并可显著降低 多跳传输信道的构建复杂度。在中继传输过 程中,由于每跳 阶段的邻近互 干扰源节点个数有限,所以迭代干扰 消除算法运算简单、收敛速度较快,系统计算复杂度较 低,适合太赫兹高速通信系统 的传输。图基于太赫兹的室外微蜂窝无线通信系统通信系统一个重 要的应 用 方 句是 室 外 微、。一。蜂窝无线传输。鉴 于无 线 电频率资源的 紧张,众多。、。研究人员致力于设计高频带利用率的传输手段,如整理等。多天线技 术、高阶调 制 方 案。但是,无 线终远端基站完成对小区的太赫兹 频段线端的尺寸限制了多天线的配置同时,高阶调制也带无通信覆盖同时,基 站还将完 成对小区数据来了传输功率的增大及误码率的增加。的放大、转发,以实 现太 赫兹 光纤多跳传输,扩 大传本项 目研究 的太赫兹无线通信将 利用太输距离。赫兹频段丰富的频率资源,提供的高速 率 的远端基站完成对 小区的太 赫兹 频段线数据传输,同时,项目将采用光纤 多跳传输技术实现无通信覆盖。远距 离通信,如 图所示。室内无线局域网传输系统 设计方案太赫兹通 过 光纤 多跳传输实 现远距离通通信系统可以应 用 到室内短距 无 线通信信,在传输末端将提供太赫兹无线接人。其 中环境,为室内用户提供大容量 的数据传输服务。太中心站完成信息数据的物理层信道编码、星赫兹传输能够降低楼宇墙壁的阻挡,提供太赫座调制、成形滤波等基带处理,以及太赫兹副载波调兹无线通信所 需 的 直 射传输路径。如图,制、光波调制还有数据链路层 的校验,数据包所示。期姚建锉等太赫兹通信技术的研究与展望图室内无线局域网传输系统图室内传输网毫米 波 的光 产生、调 制及双向链 路方案研究以毫 米 波 宽 带 副 载 波信号的全光产生技术为基础,以传输 系统组 建和性 能测试 为核心,采用理论分析、数值模 拟与实验工作相结合的方法,多点同步开展一系统 中宽 带 副载 波信号的新型调制技 术研 究、多路 微 波 同时光 域上变频技术研究、毫米 波 副载 波信号损 伤的补偿技术研究、天线匹配设计以及一系统性 能 的理论分析和实验研究。毫米波的光产生方案这里提 出以下儿种 方 案来 实 现毫米波 的光 产生。根据具体的毫 米波产生方案,调制及双向链路的方案也略有不 同。下面分别介绍。方案双模锁模相干混频本方案的关键之处是采用双模锁模且相位相同的双波长光 连续 波信号,将双模双波 长的模 间距设计为毫米 波频率,通过锁模激光 自混频自差拍,可以产生 毫米波信号。图为产生 一路双波长锁模输出的原理示 意图。图中的多模半导体激光器作为从 激光 器,分 布反馈 式激光器作为主激光器。微波振荡器产生 比毫米波低倍的频率信号 示意图中的举例,为了简单取一,通过 同样低频的外光电调制 器调制光信号,从而产 生多谐波分量的光信号,当其 中两个谐 波分量正好和多模输 出的激光器 的两 个模 输出相 吻合时,产生谐波锁模。谐波锁模 的发生不仅仅激发了两个有用 的模的功率输出,同时还抑止了噪声和其他模式的输出,因此激光器在这里起到了放 大、滤波和提高信噪比的三重作用。例如输出的两个模式间距为毫米 波 时,激光 器输出为二者 的拍频,即的毫米 波光载波信号。图通 过注 入锁模产生 双波长光信号的原理框图、一激光卷此毫米波信号光源 的优点 为系统 只公用 一个 频 率比毫 米 波频率低倍的微波振荡器和一个 同样低频的光电调制器调制光信号。采用多模半 导体激 光 器,可以获 得 信 噪比很高、线宽很 窄的双模锁模输出毫米波信号光源,其双模的模 间距设计 为毫米波 的频率。激光 器已有廉 价的商业 产品,工艺 成 熟,具有成本优势。图则是基于这种 双模 锁模 自混频方 式实现毫米波上下变频技 术的双 向系统示意 图。所有的光源均集 中在总站,多个不同波长的激光器用 同一个外调制器进行调制,频率为关,经解复用后分别 注人不同的激光 器,通 过注人 锁 模产生具有不同 中心波长的双波长输 出。其中一组双波长 如 中心波长 为几】的一组用一个外 调 制器加载数据或副载波,经 光复用后用 光纤传送 至拉远基站,在中相 干混 频产生毫米波副载波,经过射频