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據傳輸速率。

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，并提取數據。

3~3000MHz之間的無(wú)線(xiàn)電頻譜都比較擁擠。電視、廣播、手機、藍牙、GPS、雙向通信設備，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)研究小組報告了一個(gè)振奮人心的消息，創(chuàng )下了100Gb/s的無(wú)線(xiàn)數據傳輸速率新記錄。

在德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院（KIT），弗勞恩霍夫應用固體物理研究所和斯圖加特大學(xué)，科學(xué)家們在相距20m遠的發(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(xiàn)連接設備。這個(gè)頻率在頻譜里非常接近太赫茲區域（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用潛力，因為它的輻射是非電離性的，而且可以穿透衣服，從而可以用來(lái)做先進(jìn)的炸彈檢測和人體掃描等。

太赫茲和亞太赫茲頻率用作高速數據傳輸已被研究了了數十年，尤其是對于農村或偏遠地區，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，其數據傳輸速度是谷歌光纖和某些城市正在測試的其他千兆計劃承諾的1-Gb / s的100倍。

“對我們來(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(xiàn)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)。“它只是遠程電信在這個(gè)頻率的開(kāi)始。”

要達到這樣高的數據傳輸速率，研究人員結合最先進(jìn)的電子學(xué)和光子學(xué)技術(shù)，組建了一個(gè)實(shí)驗系統。他們選擇把光子元素添加到發(fā)射機設置，而不是只用電子，因為光子能夠拓展帶寬和更大的動(dòng)態(tài)范圍。然而不足之處是光子方案降低了發(fā)射機的輸出功率。

該團隊使用了光子混頻器（借用了日本NTT- NEL公司的設備），它結合并指導兩個(gè)不同頻率的激光器照射光電二極管。一束激光被調制成攜帶數據，另一束則不是。發(fā)光的激光器在光電二極管產(chǎn)生的電信號的頻率等于兩束激光頻率的差237.5GHz。該信號然后由一個(gè)喇叭形的天線(xiàn)輻射出去。

在接收端，該團隊使用了一個(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體晶體管。這短短幾平方毫米尺寸的的芯片標志著(zhù)太赫茲接收技術(shù)在智能手機和平板電腦上的發(fā)展邁出了一大步。該集成電路把入射信號放大，并與另一頻率混頻，從而提取所發(fā)送的數據。

這項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，這對那些夢(mèng)想做太赫茲數據傳輸的許多計劃已經(jīng)足夠。“有些人談?wù)摂祿σ苿?dòng)用戶(hù)來(lái)說(shuō)就是高速流媒體，”他說(shuō)。“他們走到數據亭，用非常高的數據傳輸速率下載他們的視頻或其他，然后離開(kāi)。”費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。

德國小組發(fā)現亞太赫茲傳輸特別有前途的一個(gè)特點(diǎn)是，與用載有數據的激光在空氣中傳播的自由空間光傳輸相比，這類(lèi)輻射較少受像霧或雨等當地條件的影響。但L-3通信公司的副總裁和太赫茲專(zhuān)家卡特阿姆斯特朗指出，研究人員并沒(méi)有實(shí)際測試他們的設計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，所以他們應該“通過(guò)操作該系統實(shí)驗來(lái)證明，”他說(shuō)。

KIT的柯尼希表示，目前在發(fā)射機和接收機之間有一個(gè)清晰視線(xiàn)的應用是最有前途的。但他也表示，研究團隊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程記錄。光電二極管的輸出功率是最近這次實(shí)驗的限制因素，但旨在通過(guò)在光電二極管后增加一個(gè)放大器來(lái)放大信號的新的研究正在進(jìn)行。

更廣泛地說(shuō)，不同的機構正在不斷發(fā)展實(shí)驗裝置的許多組件。“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。”