THz:通信系统的研究现状与应用展望

无线保真(Wireless Fidelity,Wi-Fi)是目前使用最广泛的无线通信技术,但其能提供的短距离速率仅为 10 Gbit/s;新兴的可见光通信技术具有更高的频率,但光束需要严格对准,在雾天每公里的衰减达到 200 dB,而 THz 波的衰减很少。所以,THz 通信在大容量无线通信系统中前景广阔。

一、THz 通信系统按其产生方式分类:

1、 基于纯电子器件

这 类 THz 发 生 器 由 射 频 源 (Radio Frequency source,RF source)、倍频器(Multiplier)、电信号混频器(Mixer)及电信号放大器(Amplifier)组成。
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目前使用倍频方法产生的载波频率最高为 625 GHz,该方式需要上下变频和多种调制混频技术,电子器件的转换损失使发射和接收功率较低,故传输速率不高,无线传输距离较近。调制格式主要使用 OOK 调制,其属于较低阶调制,频谱效率不高,也有研究尝试了正交调制如 QPSK,QAM 调制。


1.2 光子辅助方式(光学外差法)

目前 THz 通信系统大部分使用该方式,产生的THz 波频率在 1 THz 以下。

发射端由外腔激光器(External Cavity Laser,ECL)、光调制器、保偏光耦合器
(Polarization-Maintaining Optical Coupler,PM-OC)、保偏掺铒光纤放大器(Polarization-Maintaining Erbium-Doped Fiber Amplifier,PM-EDFA)、可调节光衰减器(Variable Optical Attenuator,VOA)、电放大器(Electrical Amplifier,EA)及单向载流子光电二极管(Uni-Traveling Carrier-Photo Detector,UTC-PD)等元器件组成。
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光学外差法是目前国内外太赫兹发射系统的主流形式,使用该方法已经能够实现传输速率为 1.056 Tbit/s 的THz 无线通信实验 [41] ,未来还有更广泛的研究价值和发展空间。采用光子辅助的方法利用激光的超高频率,使用光学外差法可以方便地产生多种频率的 THz 信号。早期研究多采用结构简单的 ASK 调制,后期大部分研究均用高阶 QAM 调制提高频谱效率,采用 WDM 和 PDM 技术提升系统容量,采用 PS 技术提高信号传输质量,并结合先进数字信号处理技术提高系统的传输质量,从而进一步完善现有的太赫兹通信系统。


3 、半导体激光器(如量子级联激光器)
利用纯电子器件方式、光子辅助方式产生的 THz 信号通常在几百 GHz。在更高的频段(如1 THz 以上)一般只能采用激光器方法,如量子级联激光器(Quantum Cascade Lasers,QCL)、气体激光器以及自由电子激光器等产生 THz 信号。
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采用半导体激光器的方式能产生超高频率的 THz 信号,然而对 THz 发射源的性能要求非常苛刻,采用的源(如THz-QCL)往往需要在超低温下工作,限制了这种方式的可用性。

4、其他方向的研究进展

其他方向的研究进展包括调制器、信号源、编解码方案以及系统优化等,包括石墨烯 THz 调制器能探测高达 GHz 的快变微弱光信号 [46] 、Turbo 编解码方案提高灵敏度 [47] 、多用户室内 THz 通信系统 [48] 、矩形内芯椭圆包芯光纤多通道和保偏 THz 通信 [49] 以及有机晶体光学整流产生 THz 信号源 [50] 。


二、THz 通信的应用展望:

1、 光载无线通信(RoF系统)

光载无线通信(Radio over Fiber)实现了 THz 信号和光信号之间的转换,使用光纤传输 THz 信号。采用光子辅助的方法很容易实现 RoF(光载无线通信) 链路,系统如下图所示:
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较为常用的光生毫米波方法为光学外差法首先生成两路相干的激光,其中一路光波携带信号,这两路光波通过光纤传输,在基站拍频形成携带信号的毫米波信号
RoF 技术充分利用了光纤传输的高带宽、低损耗的特性,又具有无线通信移动接入的灵活性。目前能够做到的最高无线通信速率 1.056 Tbit/s 就是使用 RoF 技术实现的,随着无线通信由 3G 时代逐渐步入 4G 甚至 5G 时代,RoF 将成为无线通信的支撑技术,是未来应用场景之一。

2、 空间应用

在空间通信方面,虽然 THz 波在大气中的传输易受水蒸气吸收的影响,但在外层空间中可做到无损传输,通过极低的频率就可实现超远距离传输。大气层可以屏蔽大部分 THz 辐射,使空间通信避免地球辐射噪声的影响,提高传输质量,同时使地面无法监听到空间通信信号。因此 THz 通信在空间通信中具有广阔的应用前景,未来有望在太空基地雷达、星际通信等应用上发挥重要作用,并用于与重返大气层的飞行器(如导弹、飞船等)进行通信 [51] 。

3、军事应用

在战场环境中,网内电台等设备繁多,电磁环境复杂,易出现通信干扰。THz 通信容量大,速率高,可用来组成战地通信网络内的无线通信链路。THz 波频率成分丰富,带宽非常宽,并且大气衰减大,信号无法传播到敌方的监听机构处,提高了监听难度,所以可实现近距离的隐蔽通信。

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