6G 的下一步：太赫茲技術(shù)新進展

由于太赫茲技術(shù)被視為邁向 6G 的下一步，Cannon 公司、哈佛大學(xué)以及 NASA 等機構(gòu)都致力于推動這項技術(shù)的發(fā)展。

位于電磁 (EM) 頻譜的 30 微米和 3 毫米范圍之間的太赫茲 (THz) 或亞毫米波長輻射可能與未來幾代電信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展密切相關(guān)。與 5G 相比，該頻段被稱為 6G 的候選技術(shù)，已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，這促使研究人員和工程師進一步研究使用這些波長生成和讀取信號背后的科學(xué)。

顯示太赫茲波段的 EM 光譜概覽。

本文介紹了太赫茲技術(shù)的三個最新發(fā)展，包括兩項新的芯片技術(shù)。其中兩項突破來自學(xué)術(shù)界，一項來自工業(yè)界。盡管需要注意的是太赫茲輻射有多種用例，但今天，我們將主要關(guān)注為無線寬帶蜂窩電信網(wǎng)絡(luò)實施該技術(shù)。

用于太赫茲信號生成的超薄光子電路

今年早些時候，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的一組科學(xué)家發(fā)表了他們在開發(fā)用于精確生成太赫茲信號的專有電路方面的發(fā)現(xiàn)。在 EPFL HYLAB 的 Christina Benea-Chelmus 教授的帶領(lǐng)下，該團隊制造了一種在光學(xué)和電信領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用的集成電路。

研究人員用于生成太赫茲信號的芯片和設(shè)置。

利用一種叫做鈮酸鋰（一種常用于制造電子元件和傳感器的化合物）的合成化學(xué)物質(zhì)的特性，研究人員能夠制造出一種光子芯片，它不僅可以產(chǎn)生太赫茲波，還可以精確控制信號的頻率、幅度和相位。

這種超薄膜芯片是通過納米級蝕刻工藝制成的，其中稱為波導(dǎo)的通道排列使微型天線能夠在標準光纖的幫助下廣播太赫茲信號。

據(jù) Benea-Chelmus 教授介紹，這種使用熟悉的制造方法和傳統(tǒng)光學(xué)電子技術(shù)的小型設(shè)備可以封裝成微型嵌入式組件，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這可能是 6G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)中的寶貴資產(chǎn)。

其他用例包括非破壞性光譜學(xué)和量子物體的控制，盡管目前，該團隊的首要任務(wù)是改進他們設(shè)計的波導(dǎo)和天線，以創(chuàng)建具有更大振幅的信號并進一步微調(diào)其太赫茲頻率。

佳能開發(fā)太赫茲芯片

在行業(yè)方面，以相機和打印機設(shè)備而廣受歡迎的日本科技集團佳能宣布了一種新型緊湊型太赫茲半導(dǎo)體芯片，可能以成像形式應(yīng)用于安全領(lǐng)域，并以 6G 形式應(yīng)用于電信領(lǐng)域。

佳能最新的太赫茲芯片。

使用稱為諧振隧道二極管的組件，佳能的工程師能夠縮小其設(shè)計并創(chuàng)建能夠同時具有高輸出和高可檢測性的 IC，同時封裝到比其他演示小得多的占位面積中。這些二極管非常有用，因為它們從內(nèi)置于半導(dǎo)體中的天線發(fā)射太赫茲輻射，有效地消除了對頻率多路復(fù)用器、喇叭天線和透鏡等模塊的需求。

由 36 根天線組成的集成陣列精確同步，偏差不超過 1 皮秒，可提高信號傳輸?shù)臏蚀_性和清晰度，同時也可能對克服太赫茲技術(shù)的范圍挑戰(zhàn)產(chǎn)生影響。

目前，該設(shè)備旨在用于手機和相機等小型電子設(shè)備，但也可用于實時主動成像等其他計算機系統(tǒng)。據(jù)佳能稱，其新芯片還可以在數(shù)米范圍內(nèi)進行非侵入式人體掃描和隱藏武器檢測，適用于行人密集場所的安全用途，而不會中斷交通。

提高太赫茲通信的范圍

無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€常見經(jīng)驗法則是信號頻率越高，傳輸距離越短。如果我們看一下太赫茲范圍內(nèi)的高頻，我們會發(fā)現(xiàn)在我們的通信開始出現(xiàn)損耗之前，發(fā)射器和接收器之間的最大距離約為一英尺。

來自美國東北大學(xué)、美國宇航局噴氣推進實驗室和空軍研究實驗室的一組科學(xué)家提出了一種克服這些挑戰(zhàn)的新方法，建立了超過一英里的每秒數(shù)千兆比特的連接。

研究人員已經(jīng)找到了建立進一步太赫茲連接的方法。

根據(jù)美國東北大學(xué)的 Joseph Jornet 教授的說法，他們成功的關(guān)鍵是從他們的通信信道中移除混頻器（傳統(tǒng)上用于向信號添加信息的模塊）的過程，因為它由于傳輸?shù)母吖β室蠖鴮λ麄兊南到y(tǒng)產(chǎn)生了負面影響太赫茲信號。

這樣，為了建立可靠的鏈接，團隊對信息進行了預(yù)失真并將其直接饋送到源中，從而無需在接收器端進行重建，在那里他們可以從門外獲得幾乎『干凈』的信號。

這個過程的背后是一個基于傳統(tǒng)肖特基二極管的電子系統(tǒng)，它可以以與光纖相同的速度無線發(fā)送數(shù)據(jù)，并在 2 公里的范圍內(nèi)進行測試。根據(jù) Jornet 教授的說法，這項工作可用于開發(fā)全球 6G 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以通過衛(wèi)星通信而不是光纜基礎(chǔ)設(shè)施在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)極高的無線互聯(lián)網(wǎng)速度。

從光學(xué)到無線的可能轉(zhuǎn)變？

盡管 5G 標準尚未達到頂峰，但依賴越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速度的計算機和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進步可能遲早會迎來太赫茲作為下一代標準。

在解決這三個新發(fā)現(xiàn)有效實現(xiàn)的組件尺寸和范圍挑戰(zhàn)的同時，行業(yè)和標準化機構(gòu)檢查這些技術(shù)的可行性變得很重要。這包括將其集成到我們的電信網(wǎng)絡(luò)和未來幾代消費電子產(chǎn)品中，可能會將重點從發(fā)展全球光纖基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)移到創(chuàng)建廣泛的寬帶無線 6G 網(wǎng)絡(luò)。總的來說，太赫茲技術(shù)看起來像是一種很有前途的未來技術(shù)。