德科学家创THz传输新记录

工程师在人迹罕至的频带获得了惊人的数据传输速率。

电路桥：锁模激光器照射光电二极管从而产生近太赫兹辐射的两部分光束。一种单片微波集成电路接收该信号，并提取数据。

3~3000MHz之间的无线电频谱都比较拥挤。电视、广播、手机、蓝牙、GPS、双向通信设备，以及Wi-Fi都工作在这个高频至超高频范围。所以除了提高工作频率外别无他法，几十年来研究人员一直在努力研究如何利用3-3000GHz这个频率范围。十月份，一个研究小组报告了一个振奋人心的消息，创下了100Gb/s的无线数据传输速率新记录。

在德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT），弗劳恩霍夫应用固体物理研究所和斯图加特大学，科学家们在相距20m远的发射器和接收器之间创建了一个工作在237.5GHz频率的无线连接设备。这个频率在频谱里非常接近太赫兹区域（通常被定义为从300GHz开始）的毫米波波段。太赫兹波段有很大的应用潜力，因为它的辐射是非电离性的，而且可以穿透衣服，从而可以用来做先进的炸弹检测和人体扫描等。

太赫兹和亚太赫兹频率用作高速数据传输已被研究了了数十年，尤其是对于农村或偏远地区，延伸光纤网络不仅困难并且耗资巨大。该研究成果十月份发表在自然光子学期刊，其数据传输速度是谷歌光纤和某些城市正在测试的其他千兆计划承诺的1-Gb / s的100倍。

“对我们来说，最令人兴奋的事情是在这个载波频率做高速无线通信，之前没有其他人能做到这一点，”赛文柯尼希，KIT的光子学研究工程师说。“它只是远程电信在这个频率的开始。”

要达到这样高的数据传输速率，研究人员结合最先进的电子学和光子学技术，组建了一个实验系统。他们选择把光子元素添加到发射机设置，而不是只用电子，因为光子能够拓展带宽和更大的动态范围。然而不足之处是光子方案降低了发射机的输出功率。

该团队使用了光子混频器（借用了日本NTT- NEL公司的设备），它结合并指导两个不同频率的激光器照射光电二极管。一束激光被调制成携带数据，另一束则不是。发光的激光器在光电二极管产生的电信号的频率等于两束激光频率的差237.5GHz。该信号然后由一个喇叭形的天线辐射出去。

在接收端，该团队使用了一个定制的由高电子迁移率晶体管(HEMT)组成的集成电路，HEMT是可以在毫米波频率下工作的化合物半导体晶体管。这短短几平方毫米尺寸的的芯片标志着太赫兹接收技术在智能手机和平板电脑上的发展迈出了一大步。该集成电路把入射信号放大，并与另一频率混频，从而提取所发送的数据。
 
这项研究给新泽西理工学院研究太赫兹技术的物理学教授约翰费德里基留下了深刻的印象。他说，20米传输距离有所限制，但他指出，这对那些梦想做太赫兹数据传输的许多计划已经足够。“有些人谈论数据亭对移动用户来说就是高速流媒体，”他说。“他们走到数据亭，用非常高的数据传输速率下载他们的视频或其他，然后离开。”费德里基告诫不要有过多一般化的想法，他说太赫兹和近太赫兹频率波在大气中传播或穿墙而过并不可靠。

德国小组发现亚太赫兹传输特别有前途的一个特点是，与用载有数据的激光在空气中传播的自由空间光传输相比，这类辐射较少受像雾或雨等当地条件的影响。但L-3通信公司的副总裁和太赫兹专家卡特阿姆斯特朗指出，研究人员并没有实际测试他们的设计在这些情形下的受阻状况。“他们说，毫米波的高频波段在他们的实验条件下，自由空间太赫兹传输较少受到雨雾影响，所以他们应该“通过操作该系统实验来证明，”他说。

KIT的柯尼希表示，目前在发射机和接收机之间有一个清晰视线的应用是最有前途的。但他也表示，研究团队有信心可以提升技术让其传输几百米的距离。5月他们已经通过使用纯粹的电子系统在240GHz频率下以40Gb/s传播超过1公里的距离打破了世界远程记录。光电二极管的输出功率是最近这次实验的限制因素，但旨在通过在光电二极管后增加一个放大器来放大信号的新的研究正在进行。

更广泛地说，不同的机构正在不断发展实验装置的许多组件。“这是众多不同的合作伙伴和技术人员之间的相互合作，”柯尼希说。“令人高兴是，所有的这些工作都有了成效。”

编译：冯晓冬，电子科技大学太赫兹研究中心 四川太赫兹应用研究联合课题组