德科學(xué)家創(chuàng)THz傳輸新記錄

工程師在人跡罕至的頻帶獲得了驚人的數(shù)據(jù)傳輸速率。

德科學(xué)家創(chuàng)THz傳輸新記錄

電路橋：鎖模激光器照射光電二極管從而產(chǎn)生近太赫茲輻射的兩部分光束。一種單片微波集成電路接收該信號(hào)，并提取數(shù)據(jù)。

3~3000MHz之間的無(wú)線電頻譜都比較擁擠。電視、廣播、手機(jī)、藍(lán)牙、GPS、雙向通信設(shè)備，以及Wi-Fi都工作在這個(gè)高頻至超高頻范圍。所以除了提高工作頻率外別無(wú)他法，幾十年來(lái)研究人員一直在努力研究如何利用3-3000GHz這個(gè)頻率范圍。十月份，一個(gè)研究小組報(bào)告了一個(gè)振奮人心的消息，創(chuàng)下了100Gb/s的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率新記錄。

在德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT），弗勞恩霍夫應(yīng)用固體物理研究所和斯圖加特大學(xué)，科學(xué)家們?cè)谙嗑?0m遠(yuǎn)的發(fā)射器和接收器之間創(chuàng)建了一個(gè)工作在237.5GHz頻率的無(wú)線連接設(shè)備。這個(gè)頻率在頻譜里非常接近太赫茲區(qū)域（通常被定義為從300GHz開(kāi)始）的毫米波波段。太赫茲波段有很大的應(yīng)用潛力，因?yàn)樗妮椛涫欠请婋x性的，而且可以穿透衣服，從而可以用來(lái)做先進(jìn)的炸彈檢測(cè)和人體掃描等。

太赫茲和亞太赫茲頻率用作高速數(shù)據(jù)傳輸已被研究了了數(shù)十年，尤其是對(duì)于農(nóng)村或偏遠(yuǎn)地區(qū)，延伸光纖網(wǎng)絡(luò)不僅困難并且耗資巨大。該研究成果十月份發(fā)表在自然光子學(xué)期刊，其數(shù)據(jù)傳輸速度是谷歌光纖和某些城市正在測(cè)試的其他千兆計(jì)劃承諾的1-Gb / s的100倍。

“對(duì)我們來(lái)說(shuō)，最令人興奮的事情是在這個(gè)載波頻率做高速無(wú)線通信，之前沒(méi)有其他人能做到這一點(diǎn)，”賽文柯尼希，KIT的光子學(xué)研究工程師說(shuō)。“它只是遠(yuǎn)程電信在這個(gè)頻率的開(kāi)始。”

要達(dá)到這樣高的數(shù)據(jù)傳輸速率，研究人員結(jié)合最先進(jìn)的電子學(xué)和光子學(xué)技術(shù)，組建了一個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。他們選擇把光子元素添加到發(fā)射機(jī)設(shè)置，而不是只用電子，因?yàn)楣庾幽軌蛲卣箮捄透蟮膭?dòng)態(tài)范圍。然而不足之處是光子方案降低了發(fā)射機(jī)的輸出功率。

該團(tuán)隊(duì)使用了光子混頻器（借用了日本NTT- NEL公司的設(shè)備），它結(jié)合并指導(dǎo)兩個(gè)不同頻率的激光器照射光電二極管。一束激光被調(diào)制成攜帶數(shù)據(jù)，另一束則不是。發(fā)光的激光器在光電二極管產(chǎn)生的電信號(hào)的頻率等于兩束激光頻率的差237.5GHz。該信號(hào)然后由一個(gè)喇叭形的天線輻射出去。

在接收端，該團(tuán)隊(duì)使用了一個(gè)定制的由高電子遷移率晶體管(HEMT)組成的集成電路，HEMT是可以在毫米波頻率下工作的化合物半導(dǎo)體晶體管。這短短幾平方毫米尺寸的的芯片標(biāo)志著太赫茲接收技術(shù)在智能手機(jī)和平板電腦上的發(fā)展邁出了一大步。該集成電路把入射信號(hào)放大，并與另一頻率混頻，從而提取所發(fā)送的數(shù)據(jù)。

這項(xiàng)研究給新澤西理工學(xué)院研究太赫茲技術(shù)的物理學(xué)教授約翰費(fèi)德里基留下了深刻的印象。他說(shuō)，20米傳輸距離有所限制，但他指出，這對(duì)那些夢(mèng)想做太赫茲數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑S多計(jì)劃已經(jīng)足夠。“有些人談?wù)摂?shù)據(jù)亭對(duì)移動(dòng)用戶來(lái)說(shuō)就是高速流媒體，”他說(shuō)。“他們走到數(shù)據(jù)亭，用非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率下載他們的視頻或其他，然后離開(kāi)。”費(fèi)德里基告誡不要有過(guò)多一般化的想法，他說(shuō)太赫茲和近太赫茲頻率波在大氣中傳播或穿墻而過(guò)并不可靠。

德國(guó)小組發(fā)現(xiàn)亞太赫茲傳輸特別有前途的一個(gè)特點(diǎn)是，與用載有數(shù)據(jù)的激光在空氣中傳播的自由空間光傳輸相比，這類輻射較少受像霧或雨等當(dāng)?shù)貤l件的影響。但L-3通信公司的副總裁和太赫茲專家卡特阿姆斯特朗指出，研究人員并沒(méi)有實(shí)際測(cè)試他們的設(shè)計(jì)在這些情形下的受阻狀況。“他們說(shuō)，毫米波的高頻波段在他們的實(shí)驗(yàn)條件下，自由空間太赫茲傳輸較少受到雨霧影響，所以他們應(yīng)該“通過(guò)操作該系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)來(lái)證明，”他說(shuō)。

KIT的柯尼希表示，目前在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間有一個(gè)清晰視線的應(yīng)用是最有前途的。但他也表示，研究團(tuán)隊(duì)有信心可以提升技術(shù)讓其傳輸幾百米的距離。5月他們已經(jīng)通過(guò)使用純粹的電子系統(tǒng)在240GHz頻率下以40Gb/s傳播超過(guò)1公里的距離打破了世界遠(yuǎn)程記錄。光電二極管的輸出功率是最近這次實(shí)驗(yàn)的限制因素，但旨在通過(guò)在光電二極管后增加一個(gè)放大器來(lái)放大信號(hào)的新的研究正在進(jìn)行。

更廣泛地說(shuō)，不同的機(jī)構(gòu)正在不斷發(fā)展實(shí)驗(yàn)裝置的許多組件。“這是眾多不同的合作伙伴和技術(shù)人員之間的相互合作，”柯尼希說(shuō)。“令人高興是，所有的這些工作都有了成效。”