弯曲太赫兹信号绕过障碍实现6G

TTHE MITTLEMAN GROUP/BROWN UNIVERSITY

一项新研究发现，通过让光束在半空中绕过障碍物，研究人员希望能帮助实现速度极快的6G数据网络。

下一代无线通信（6G）将可能依靠太赫兹波来帮助达到前所未有的速度。太赫兹射线（也称亚毫米波辐射或远红外线）位于电磁波谱中的光波和微波之间。太赫兹射线的频率从0.1太赫兹到10太赫兹不等，是未来高速无线网络的关键，它将以每秒太比特（万亿比特）的速度传输数据。

“The data can be successfully delivered to a target even if there is an obstruction that partially blocks the view of the target from the transmitter.”

—DANIEL MITTLEMAN, BROWN UNIVERSITY

太赫兹信号面临的一个主要问题是如何解决被大多数固体物体阻挡。这意味着，与 Wi-Fi 不同，太赫兹信号通常要求发射器和接收器之间有直接的视线（https://www.brown.edu/news/2018-02-06/terahertz）。

在这项新研究中，罗德岛普罗维登斯布朗大学和休斯顿莱斯大学的研究人员试图通过创造太赫兹信号来避免这个问题，这些信号沿着弯曲的轨迹绕过障碍物，而不是被障碍物阻挡。

布朗大学工程学教授Daniel Mittleman说：“需要明确的是，我们并不是要让光子沿着弯曲的轨迹传播。这不是我们要做的，尽管看起来可能是这样。” Mittleman解释说，光子通常是直线运动的，除非它们经过空间和时间结构被强大引力场扭曲的区域，比如黑洞产生的引力场。

Mittleman说：“相反，我们正在做的是制作一个非常精心定制的直线光束图案，这些直线光束共同干涉，产生一个遵循弯曲轨迹的强度图案。”

此前的研究（https://www.nbcnews.com/id/wbna22360801）于2007年首次用可见光产生了这种弯曲光束（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.213901）。随后的工作也产生了太赫兹弯曲光束。

Mittleman表示：“我们所做的工作是证明，可以用数字数据加载这些光束，并绕过障碍物发送信号。”即使存在部分阻挡发射器看到目标的障碍物，数据也能成功传送到目标。

太赫兹信号（或许）是如何弯曲的？

科学家们开发了一种能产生各种太赫兹射线模式的发射器。当一种模式被障碍物阻挡时，发射器就会调整，用另一种模式发送数据，以保持通信链路的完整。

Mittleman说：“当我们开始研究这个项目时，我并不清楚它是否能成功。“因此，也许最令人惊讶的事情就是它真的成功了。

Mittleman说，为了让这项新技术发挥作用，发射器到接收器之间的距离必须足够小，这样接收器才能处于发射器的近场（https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation#Near_and_far_fields）。他解释说，目前典型的无线数据系统的工作频率约为3千兆赫，天线直径约为10厘米，近场范围只有几十厘米，距离太短，无法证明非常有用。

Mittleman指出：“但如果我们使用更高的频率，比如太赫兹频率，情况就大不相同了。同样是10厘米的发射天线，频率为300千兆赫的近场可以延伸到数十米之外。这意味着它在典型的Wi-Fi场景中变得相关和有用。”

Hichem Guerboukha作为布朗大学的博士后研究员领导了这项研究，他现在是密苏里大学堪萨斯城分校科学与工程学院的助理教授，他提醒说，这种新策略并不能解决太赫兹信号可能面临的所有阻塞问题。

Mittleman解释说：“在这里可以做的事情有一些真正的物理限制。例如，曲率的大小受到发射机尺寸的限制，因此对于给定的发射机，你不可能做出任何你想要的曲线。”

未来的工作可以探索太赫兹信号的曲率有多大，可以到达多远的距离。此外，研究人员还想看看曲率可能对带宽产生什么影响。

Mittleman说：“当以高数据速率发送数据时，人们需要一个宽带宽 —— 这意味着你的信号由许多不同的频率组成。如果每个频率的弯曲轨迹略有不同呢？我们称这种效应为'曲率色散'。在最坏的情况下，这意味着你的接收器会错过一些传输频率，因为它们的弯曲程度不对。我们需要更详细地了解这种效应的影响。”

Demetrios Christodoulides和他的同事们在2007年率先制造出了弯曲光束，他认为这项新研究也可能应用于成像领域。

位于洛杉矶的南加州大学电气与计算机工程、物理与天文学教授Christodoulides说：“当你想避开不透明的区域时，我可以看到这种方法的优势。”

科学家们于3月30日在《通信工程》（Communications Engineering）杂志上在线详细介绍了他们的研究成果：https://www.nature.com/articles/s44172-024-00206-3。