英國大學實現非直視太赫茲數據傳輸鏈路

來源：THzWave太赫茲世界

一項新的研究表明，即使沒有發射器和接收器之間的直接視線，太赫茲數據鏈路實現也是可能的，這對於未來的超高容量太赫茲數據網路來說是一個很有希望的發現。

來自布朗大學的研究人員普羅維登斯一個最新研究表明，太赫茲頻率的數據鏈路可以繞著房間反彈而不會丟失太多數據。該系統採用美國VDI公司的太赫茲鏈路，結果對於未來太赫茲無線數據網路的可行性來說是個好消息，它有可能比目前的網路能承載更多的數據。

今天的蜂窩網路和Wi-Fi系統依靠微波輻射來傳輸數據，但目前對更多帶寬的需求，正迅速超過微波可以處理的範圍。研究人員正考慮在太赫茲波上傳輸數據，這些波段的數據載波容量是微波的100倍。但是太赫茲通信技術還處於起步階段。有很多基礎研究需要完成，還有很多需要克服的挑戰。

例如，人們認為太赫茲鏈接需要在發射機和接收機之間有一個直接的視線。與微波不同，太赫茲波完全被大多數固體物體所阻擋。我們的假設是，在一個物體周圍找到一條清晰的路徑是不可能的，比如說，從一堵牆或兩面牆上反射出一束光。

「我認為可以公平地說，太赫茲領域的大多數人會告訴你，這些反彈會造成太多的功率損耗，因此非視距鏈路在太赫茲方面不太可行」，在APLPhotonics出版新研究的資深作者、布朗大學工程學院教授DanielMittleman說。「但是我們的工作表明，在某些情況下，損失實際上是可以接受的——比許多人想像的要少得多。」

為了進行這項研究，Mittleman和他的同事在各種物體（鏡子，金屬門，煤渣砌塊牆等）上以四種不同的頻率反射太赫茲波，並測量了反彈後波形數據的誤碼率。他們表明，在信號功率適度增加的情況下，可以達到可接受的誤碼率。

「人們關心的是，為了使這些反彈不丟失數據，需要提供更多的能量」，Mittleman說。「我們表明，並不需要像你想像的那麼多的能量，因為反彈的損失並不像你想像的那麼多。」

在一次實驗中，研究人員將一束光線從兩面牆壁上反射回來，使發射器和接收器在相互轉角處成功的連接，並且沒有任何直接的視線。這是支持太赫茲區域網的有希望的發現。

「你可以想像一個無線網路，」Mittleman解釋說，「某人的電腦連接到一個太赫茲路由器，並且兩者之間有直接的視線，但是隨後有人走過來阻擋光束。如果找不到替代路徑，該鏈接將被關閉。我們所展示的是，您仍然可以通過搜索可能涉及的新路徑來維護鏈接。今天有技術可以為低頻率做這種尋路，沒有理由不能開發太赫茲。「

研究人員還對太赫茲無線鏈路進行了幾次戶外實驗。FCC頒發的實驗許可證使布朗成為該國唯一可以在這些頻率下合法進行室外研究的人。Mittleman說，這項工作非常重要，因為科學家們剛剛開始了解太赫茲數據鏈路在元件中的行為細節。

他們的研究專註於所謂的鏡面反射。當信號長距離傳輸時，波形成一個不斷擴大的錐體。一部分波會在到達接收器之前從地面反射回來。這反映了輻射會干擾主信號，除非解碼器對其進行補償。這是微波傳輸中一個很好理解的現象。Mittleman和他的同事想要在太赫茲範圍內對其進行描述。

他們表明，這種干擾確實發生在太赫茲波中，但與混凝土相比，發生在草地上的程度較小。這很可能是因為草地有大量的水，這往往會吸收太赫茲波。因此，在草地上，反射光束比在混凝土上吸收的程度更大，而不會干擾主光束。這意味著太赫茲與草地的連接可能比混凝土的連接更好，因為處理的干擾較小，Mittleman說。

但這種對地面的干擾也有好處

「鏡面反射代表了另一種可能的信號路徑，」Mittleman說。「你可以想像，如果你的現場路線被阻擋，你可以考慮將它從地面反彈到達目的地。」

Mittleman說，這些關於太赫茲數據傳輸性質的基礎研究對於理解如何設計未來太赫茲數據系統的網路架構至關重要。

Mittleman的合作者是馬建軍，RabiShrestha和LotharMoeller。該研究得到了國家科學基金會和WMKeck基金會的支持。

附：

一文讀懂太赫茲技術

來源：光電匯OESHOW

作者：王長，博士，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員，主要從事凝聚態物質的太赫茲光學性質、太赫茲波調製與通信技術研究

太赫茲波，這個電磁波里最神秘的存在，被認為未來將顛覆安檢、通信、生物醫學等諸多行業，受到政府、科研界和產業界的多方關注。

近日，河北省政府印發《關於加快推進工業轉型升級建設現代化工業體系的指導意見》，其中提到要面向未來，超前布局、研發、儲備一批引領產業變革的顛覆性技術，積極培育發展量子通信、太赫茲、石墨烯、增材製造等未來產業。

那麼現在太赫茲技術發展如何了？未來的技術走向和應用場景是怎樣的？

太赫茲（Terahertz，簡稱THz，1 THz=1012 Hz）波是指頻率範圍在0.1-10 THz，相應的波長在3 mm-30 μm，介於毫米波和紅外光學之間的電磁波譜區域。隨著現代科學技術的發展，人們對毫米波和紅外光的研究不斷深入，其器件和應用技術日趨成熟，形成了毫米波和紅外光學兩大應用和研究領域。

然而在毫米波和紅外光之間的太赫茲頻譜區域，由於缺乏高效的太赫茲輻射源、探測器及功能器件，豐富的太赫茲頻譜資源尚未被充分開發利用，成為當前學術界的研究熱點。

太赫茲技術的研究主要集中在太赫茲輻射、太赫茲探測、太赫茲通信和太赫茲成像等方面。其中，高效的太赫茲輻射源和探測技術是推動太赫茲技術走嚮應用的關鍵。

太赫茲輻射技術

在太赫茲諸多技術的研究中，太赫茲輻射源的研究佔據了很重要的位置。太赫茲輻射的產生主要有3種途徑：

基於電子學技術的太赫茲輻射源，包括返波管、耿氏振蕩器以及固態倍頻源等，這是毫米波技術向高頻方向的擴展，這類太赫茲輻射源工作於1 THz以下，輸出功率通常在數十微瓦到毫瓦量級；

基於光子學技術的太赫茲輻射源，包括量子級聯激光器、自由電子激光器和氣體激光器等，這是激光技術向低頻方向的延伸，這類太赫茲輻射源輸出功率較大，具有很好的應用潛力。基於太赫茲激光器的光頻梳技術在高分辨成像和成譜應用方面的前景廣闊；

基於超快激光技術的太赫茲輻射源，這類技術是1 THz附近向高頻和低頻方向同時發展的太赫茲輻射源技術，這類太赫茲輻射源具有脈寬窄、峰值功率高等優點，但是存在能量轉換效率和平均輸出功率低的問題。

因此，探索實現室溫、高輸出功率、連續可調諧和小型化的輻射源將大大促進太赫茲技術的研究，也是當前太赫茲領域的重要發展目標。

太赫茲探測技術

太赫茲探測技術也是太赫茲技術研究的一個重要組成部分，它涉及到物理學、光電子學、材料科學和半導體技術等，是一門綜合性很強的技術。按照探測的原理可以分為太赫茲熱探測器和太赫茲光子型探測器兩大類。

太赫茲熱探測器的工作原理為：探測材料吸收太赫茲輻射，引起材料溫度、電阻等參數的改變，再將其轉換為電信號。

常見的太赫茲熱探測器主要包括氘化硫酸三甘肽焦熱電探測器、微機械硅bolometer 探測器以及鉭酸鋰焦熱電探測器、超導隧道結和熱電子混頻器等。

在太赫茲光子探測器中，電磁輻射被材料中的束縛電子或自由電子直接吸收，引起電子分布的變化，進而給出電信號輸出。

常見的太赫茲光子探測器有太赫茲量子阱探測器、肖特基二極體和高遷移率晶體管等離子體波太赫茲探測器等。熱探測器的極限探測靈敏度與探測器工作溫度成正比，因此高靈敏太赫茲熱探測器需要低溫工作。

太赫茲光子探測器通常有高的損傷閾值和大的線性響應範圍，探測靈敏度和響應速度間不存在相互制約，可以同時具備高探測靈敏度和快速響應能力。

超導HEB 混頻器的顯微放大圖

THz量子阱探測器工作原理示意圖：(a)器件結構；(b)器件能帶結構和工作原理

圖片來源：金飈兵等，物理 42，770 (2013).

太赫茲通信技術

太赫茲通信技術建立在傳統無線通信的基礎之上，由於太赫茲通信系統具有帶寬大、傳輸速率高、保密性好等特點，隨著現代社會對無線通信速率的要求不斷提高，利用太赫茲波作為載波進行無線通信成為現代通信技術發展的必然。太赫茲通信的應用場景包括短距離高速無線通信、空間通信和複雜軍事環境條件下的保密通信等。

目前太赫茲通信還處在關鍵器件的研究開發、太赫茲通信系統整體結構方案的可行性論證以及實驗室的研究與模擬演示階段，亟需研製高性能的太赫茲固態器件，解決太赫茲信號的調製和信號處理技術，並制定相應的技術標準。

因此，太赫茲通信技術可以實現更高速率的信息傳輸，搶佔帶寬資源，這不僅具有很高的經濟價值，還具有非常高的戰略意義。

THz通信技術應用構想圖：太赫茲鏈路應用於基站間和設備間的數據傳輸

圖片來源：T.Nagatsuma, et al., Nature Photonics 10, 371 (2016).

太赫茲成像技術

由於太赫茲頻段光子能量較低，不會對被測物體造成損壞，並且對某些非極性材料具有良好的穿透能力，因此利用太赫茲波的穿透性和安全性等優點進行成像技術開發，可對被測物體進行成像，從而實現無損檢測和安全檢查。

根據成像機理，太赫茲成像分為被動式成像和主動式成像：

被動式成像是通過太赫茲探測器對被測物體自身的輻射能量進行探測, 利用不同物質輻射強度的差異來實現成像和辨別。被動式成像是一種相對安全的成像方式，但是成像系統對信號本身的強度以及接收機的靈敏度要求較高。

太赫茲主動式成像主要是通過太赫茲輻射源發射一定強度的太赫茲信號並照射到被測物體，利用太赫茲探測器接收被測物的反射波或者透射波，通過成像系統對探測器探測到的振幅和相位信息進行分析處理，得到被照射物體的圖像。主動式成像系統可以對包括塑料、生物組織等非金屬材料進行檢測，並且可以有效地進行三維成像。

利用太赫茲多彩成像裝置成功實現對隱藏的農藥殘留物草酸銅、抗生素甲萘醌和維生素K的無損鑒別

圖片來源：Zhitao Zhou, et al., Advanced Science 1700982 (2018).

總 結

太赫茲波在電磁波譜中的特殊位置，使其具有重要的學術價值和應用前景。目前，國內外太赫茲研究單位在太赫茲輻射源、探測器以及太赫茲應用技術方面都取得了一些重要的研究成果，為太赫茲技術的應用奠定了良好的基礎，尤其是太赫茲安檢和通信等技術應用也正在逐步走向商用。可以預見，隨著太赫茲技術的不斷成熟，太赫茲技術領域將產生出更多具有自主知識產權和自有核心技術的成果和產品，推動國民經濟的發展。

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