太赫兹技术在室内无线通信中的应用

摘要：该文通过对太赫兹通信相关器件的总结和相关信道特性的分析，调研了近年来国内外相关实验的结果，对重点实验结果做了着重描述，总结出了未来室内无线通信可能的发展方向和亟待解决的问题。太赫兹波段是介于毫米波与远红外的电磁辐射频段。室内无线局域网的高数据率传输要求通信系统运行于更高的频率以获得更大的带宽。太赫兹频率范围未受军事管制，可实现Gbit/s数据率，并且太赫兹频域不像光频受环境噪声干扰那么严重。全固态室温太赫兹器件的研究为太赫兹无线通信系统奠定了基础。已探明适于未来太赫兹室内通信系统运行的大气窗口。基秒激光门控光导天线的太赫兹通信链路实现了太赫兹波载波音频信号的调制和解调。

关键词：太赫兹；室内无线通信；无线局域网；高数据率传输；飞秒激光

中图分类号：TN929文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)07-1530-04

THz Technology In Indoor Wireless Communi-cations

YING Yi-fan

(Information Center, Wenzhou Medical College, Wenzhou 325035, China)

Abstract: Terahetz frequency range is an electromagnetic radiation band that covers high frequency milli-meter wave and long wavelength far infrared. Multimedia level data transmission in indoor wireless local area networks is accompanied by an ever increasing requirement for higher data rates. Terahertz frequency range is unregulated by military services, offers data rates of Gbit/s for its very large bandwidths, and is not bothered by ambient noise as much as optical frequencies. The R&D in all-solid-state room-temperature THz devices has opened the door for realizing THz wireless communication systems. There are a few frequency windows appropriate for the operation of future indoor communication systems. A THz communication link based on femtosecond laser-gated photoconductive antenna has demonstrated the modulation and demodulation of audio signals.

Key words: THz; indoor wireless communication; WLANs; high data rate transmission; femtosecond laser

1 太赫兹频带与室内无线通信

近年来应用于办公室和家庭的短程无线通信系统，如无线局域网（WLANs）的研发正快速进展。多媒体水平数据传输对数据率提出越来越高的需求，通信系统须运行于更高的频率以获得更大的带宽。目前WLAN工作在几个GHz，但运行于几十GHz的系统已经开发出来。为应对这个需求，国际标准化组织已作出了短程无线通信的新构架，具体体现在WLANs和WPANs（Wireless Personal Area Networks）的新草案里[1]。

然而，新标准的数据率仍然很有限，如IEEE 802.11a, g+ 和 HIPERLAN/2数据率为54 Mb/s。通常称为超宽带宽UWB（Ultra-Wide Bandwidth Radio）室内框架比当前的系统好很多，期望达到数据率为110C200 Mb/s，在减小传输距离后可达到500 Mb/s[2]。UWB在3.1 GHz 到 10.6 GHz 频率范围的带宽是7.5 GHz。获得更高网络容量的直接途径是提高带宽，在常规无线电通信的情况则要提高工作频率。

太赫兹THz (1012 Hz)频域是指频率在0.1 -10 THz，处于微波的高频端和远红外光的低频端之间的电磁波段。为估计可能达到的数据率，假定载频在300 GHz 到 3 THz范围选取，并且假定带宽约等于运行频率的1%，则可能实现Gbit/s数据率，这就比当前和即将出现的局域网（WLANs）和个人网（WPANs）的容量大得多。

目前已经存在多种民用和军用无线服务，微波频域受到管制，带宽非常昂贵，但太赫兹频率范围未受管制。另一方面，红外及光频域通信也已研究多年，虽然这个频域未受管制运行频率也很高，但是由于人眼安全功率限制、强度调制/直接检测(IM/DD)技术灵敏度低、环境光噪声高等因素,限制了其作为G比特数据率无线传输 [3]。然而，太赫兹频域不象光频受环境噪声干扰那么严重。无线短程通信网不久将推向THz频域。

2 太赫兹通信相关器件技术

电磁波谱中的低频段包括调幅和调频的射频以及微波，其波源基于经典电子输运的产生机制。而电磁波谱中的更高频段包括红外、可见、和紫外光频是由量子跃迁机制产生。太赫兹频域位于以上两个频域之间，由于在这个“太赫兹间隙”缺乏有效的波源和探测器，过去人们对它的研究不多。在历史上，主要是天文物理学对它有兴趣，接收器需要在低温（120 K）工作。

基秒超短脉冲激光、Auston光电导天线[4-5]、非线性光学晶体光整流器件[6-7]的太赫兹波产生与探测技术，对太赫兹科学技术的研究和应用起了重要的作用。近年来，太赫兹时域光谱(THz-TDS)[8]、太赫兹射线成像(T-ray Imaging)[9]等太赫兹技术及其在生物医学、环境、安全等领域的应用受到世界各发达国家的高度重视并投入了大量经费支持，使太赫兹技术和器件的研究从上世纪90年代始成为世界范围研究热点。这些研究规划和项目驱动太赫兹技术正走向廉价、室温元件[10]。

基秒激光和光电导天线的太赫兹波发射与探测装置如图1所示。首先用超快飞秒激光激发DC偏置的光导天线产生太赫兹脉冲。DC偏置的低温生长GaAs半导体制成的Auston光电导开关在亚皮秒时间里调制其电流密度的变化，从而产生脉冲太赫兹辐射。电流密度的变化即光电流来自两个过程：飞秒激光照明使载流子密度快速变化和光生载流子在外场下加速。发射功率分布在0.1-4 THz。透过样品的太赫兹辐射的相干探测可由相似的光导天线电路完成。通过与太赫兹发射同步的飞秒脉冲选通光电导间隙，则可测得正比于太赫兹电场的信号。通过改变到达探测器的光路长度即光学延迟线扫描，可对整个太赫兹时域取样，从而获得入射太赫兹波的振幅和相位。从超快飞秒激光器出来的光束由分束器分成泵光和探光，分别用于照明发射器和探测器。电机驱动的延迟台装在探束里零时延附近改变入射太赫兹脉冲和探测器处的检测激光脉冲之间的光学延迟,获得太赫兹场作为实时光学延迟的函数后通过频域傅立叶变换就可以在计算机实时显示或存储。太赫兹发射器和探测器都用半球形高阻抗硅透镜来耦合，然后用离轴抛物面镜来操纵太赫兹波束。

2004年，以单行电子作为活性载流子的新型光电二极管（UTC-PD）研制成功，它同时具有高速度和高饱和输出特性，能够得到输出功率为2.6μW，频率为1.04THz的太赫兹波，它能适合在10Gb/s的THz无线通信中应用。这是目前所能得到的所有光电二极管中的最大输出功率。由此，以通信为目的的可靠THz发射器可以实现[11]。全固态室温太赫兹器件的最新发展为太赫兹无线通信系统带来了可喜的前景。太赫兹低频段的功率可由基于Schottky二极管并由W-band HEMT（高电子迁移率晶体管）功率放大器泵浦的倍增电路，或者Gunn波荡器产生。二极管电路由无衬底技术或薄膜技术制造，使得它可以与其他器件半单片集成，在800 GHz的输出功率达1 mW，带宽在15%量级[12-16]。DSB转换损耗介于5-8 dB、噪声温度在600-1500 K的分频谐波泵浦混合器可在200-600 GHz实现[12,16]，基于外差式检波器的THz通信接收器可以制作出来。首个直接调制太赫兹辐射的方法由Libon等人[17]用光控混合I型/II型GaAs/AlAs多量子阱结构给出。Kersting等人[18]则开发了另一种量子阱构成的电驱动调制器，通过加上电场来控制PQWs的电子布居从而控制器件对太赫兹的吸收，以达到调制的目的。

3 太赫兹无线通信信道的特点

太赫兹无线通信技术的实现，不仅依赖于太赫兹波源、探测器、调制器、滤波器、相移器、反射器等有源和无源器件的进步，也依赖于太赫兹信道技术、编码技术等的研究。

设计无线通信系统的第一步是理解和表征传播信道的特性，使我们可以恰当地评价信号参量。然后，就可以选择合适的编码和调制方案，以达到谱效率最大化，在给定带宽获得最大数据率。

在设计通信系统时必须考虑所有衰耗机制。太赫兹能量在大气中传播时的衰减，以水蒸气引起的强烈吸收最为严重。由于目前可用的太赫兹波源效率低，功率也较低，太赫兹无线通信系统工作距离比现有无线通信系统短，单个THz 微微小区（pico-cells）仅能覆盖单个房间或者最多一个大楼[19]。

对于室内环境，大气在亚毫米频段共有900多条强吸收线[20]，在太赫兹频段的氧线衰减不超过0.03 dB/km。剩下的大气组分只有少量吸收线，因这些组分占大气百分比很小其吸收可以忽略。大气的主要吸收成分是水蒸气。S.A. Khan 等[21]采用美国标准大气条件，在0.1-1 THz 频域进行的大气衰减进行了模拟。发现在0.2-0.3 THz间的大气衰减很低，高于0.3 THz衰减上升迅速。然而，有几个频率窗口衰减下降到低于0.1 dB/m的较低水平，如中心频率为0.28 THz 、0.42 THz、0.67 THz 、0.85 THz 等窗口（见图2）。其中，中心频率为0.28 THz 的窗口，在60 GHz带宽内衰减数值约为0.002-0.004 dB/m。在中心频率为0.67 THz 频率窗口，相应的衰减数值约为0.037-0.05 dB/m。在中心频率为0.85 THz 频率窗口，相应的衰减数值约为0.05 -0.06dB/m。这些窗口都适合于未来太赫兹室内通信系统运行。

4 太赫兹无线通信实验

2004年，Kleine-Ostmann等人制作的基于电控制二维电子气密度的室温调制器可以得到3%的调制深度[22]。几个月后他们报道了太赫兹频域第一个数据传送实验[23]，他们首次采用室温半导体太赫兹调制器通过太赫兹通信信道发送声音信号，用经改进的常规太赫兹时域光谱装置，在75 MHz宽带的太赫兹脉冲序列上传送25 kHz的信号。2005年，Mueller 等人[24]描述了采用太赫兹波源和Schottky肖特基二极管调制器和探测器的宽带宽通信数据链路。

2004年，日本NTT公司的T.Nagatsuma等人[25]搭建了120GHz的亚太赫兹无线通信系统，实现了10Gb/s的数据率。如图4是系统示意图及其实物图。

如图4所示，亚太赫兹（Sub-THz）光源产生调幅载波信号，频率为125GHz。马赫-曾德尔幅度调制器（MZM）将数据调制到载波信号上。被放大过的调制信号输入光子Sub-THz发射器。在光子Sub-THz发射器里的光电二极光（UTC-PD）将光信号转换成为Sub-THz信号，通过天线发射给接收器。接收器是由前置放大器和一个Schottky二极管组成。当接收到的信号强度为-32.2dBm、数据率为10dB/m时，其误码率小于10-10。图5给出了接收到的毫米波的误码率[26]。最长的有效传输距离为1km。具体的实验各组成部分的设备如表1所示。

2005年12月，Liu 等人[27]报道了第3个太赫兹频域数据传送工作。太赫兹通信链路是通过飞秒激光门控光导天线实现基于太赫兹波载波音频信号的编码和解码。 实验装置如图3所示。锁模钛蓝宝石激光的脉宽和重复率分别为35 fs和85 MHz。发射器和接收器天线都是在低温生长GaAs (LT-GaAs)上制作的偶极型光电导开关，其载流子寿命短于2 ps。天线的偶极间隙和长度分别为5μm和30μm。激发和探测的平均光功率都约为10 mW。发射天线的偏置采用函数信号发生器输出的正弦信号。接收天线探测到的光电流由电流前置放大器（2MHz，3dB 带宽）放大后，接到锁相放大器做瞬时波形分析或接到波谱分析仪做调制带宽分析，并用示波器来测量已解码的信号波形。最大信号在太赫兹脉冲的峰值处测得。接收天线处的3分钟积分信号峰峰值波动约10 %。直到1THz探测到的太赫兹波形信噪比约为1000。在发射天线的偏置加入直接电压调制，相应的调制带宽为23 kHz，传输距离为1米，并示范了在有放大和无放大情况下通过太赫兹链路传输合弦的保真度。

5 结束语

目前，国际上太赫兹无线通信研究还处于起步阶段。由于其在室内高数据率无线局域网、短程战术通信和卫星对卫星通信等领域可预见的应用前景，受到世界各发达国家的高度重视。太赫兹无线通信技术的实现，还有赖于太赫兹波源、探测器、调制器、滤波器、相移器、反射器等有源和无源器件，以及太赫兹信道技术、编码技术等的进步。

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