第9春著期 hu度mtt 文章编号：1002-2082(2018)01-0012-10 太赫兹波通信技术研究进展 杨鸿儒，李宏光 (西安应用光学研究所国防科技工业光学一级计量站，陕西西安710065) 满耍：太赫兹波段位于红外和微波之间，在空问通信、近程战术通信等国防领城有巨大的应用前 景。总结了太赫兹通信技术的特点、类别、方案及太赫兹波通信系航涉及的关健技术。介绍了近几 年国内外太林道信技术研完现状及取得的成果，在0.14T频我信距离达到20km,0.3TH 处通信传输速率高达105Gb/s。分析了全电子学方法、光电子方法，量子级联激光通信等几种通信 技术路钱，并比较了各系统的优缺点。展塑了太赫兹通信技术的发展趋势和应用前景。 关健词：太林通信深空探测：调制解调：太林发射机太赫接收机 中国分类号：N91.74 文献标志码：A dl:10.5768/A0201839.0101003 Research progress on terahertz communication technology Yang Hongru,Li Hongguang Xi'an Institute of applied Optics.Primary Optical Metrology Station on Science and Technology Industry for National Defense.Xi'an 710065.China) Abstract:Terahertz(THz)band locates between the infrared and microwave and has great appli cation prospeets in the fields of national defense such as space communications,short-range tacti- cal communications.and so on.The characteristics.categories.solutions and the key technologies involved in terahertz communication system are summarized.Research status and achievements of terahertz communication system at home and abroad in recent years are introduced,and the communication distance reaches 20 km at 0.14 THz band,the communication transmission rate reaches 105 Gb/s at 0.3 THz band.Several communication technical routes are analyzed,that conclude all electronics method,optoelectronics method and quantum cascade laser communica tion method,and their advantages and disadvantages are compared.Additional,the developmen trend and application prospect of terahertz communication technology are viewed. Key words:terahertz communication:deep space exploration:modulation and demodulation:tera- hertz transmitter:terahertz receiver 引言 太赫兹通信具有容量大，方向性好、保密性及抗干 太赫兹波段位于红外和微波之间，频率范围 扰能力强等特点，适用于战场末端多域组网、空间 为0.1THz一10THz(波长30m一3mm)。太赫 飞行器抗“黑障”通信、高分辨率战场信息高速实 兹技术是国内外重点研究的前沿高新技术，美国 时传输 于2006年将其定为国防重点科学。太赫兹波相对 太赫兹通信相比于其他波谱通信，主要优点： 于红外辐射有“穿透”功能，可穿透非金属和非极 1)可实现高速宽带无线通信。数据传输率高、容 性材料，相对于毫米波有较高的空间分辨 量大，可达数十Gb/s。2)波束窄，方向性好，保密 收稿日期：2017-07-17：修回日期：2017-0925 作者简介：杨鸿儒(1962-)，男，陕西西安人，研究员，博士生导师，主要从事光学与太赫兹计量测试技术研究工作。 E-mail:ehryang(126.com 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.net
第３９卷 第１期 ２０１８年１月 应 用 光 学 ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１ Ｊａｎ．２０１８ 文章编号：１００２－２０８２（２０１８）０１－００１２－１０ 收稿日期：２０１７－０７－１７； 修回日期：２０１７－０９－２５ 作者简介：杨鸿儒（１９６２－），男，陕西西安人，研究员，博士生导师，主要从事光学与太赫兹计量测试技术研究工作。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｅｈｒｙａｎｇ＠１２６．ｃｏｍ 太赫兹波通信技术研究进展 杨鸿儒，李宏光 （西安应用光学研究所 国防科技工业光学一级计量站，陕西 西安 ７１００６５） 摘 要：太赫兹波段位于红外和微波之间，在空间通信、近程战术通信等国防领域有巨大的应用前 景。总结了太赫兹通信技术的特点、类别、方案及太赫兹波通信系统涉及的关键技术。介绍了近几 年国内外太赫兹通信技术研究现状及取得的成果，在０．１４ＴＨｚ频段通信距离达到２０ｋｍ，０．３ＴＨｚ 处通信传输速率高达１０５Ｇｂ／ｓ。分析了全电子学方法、光电子方法、量子级联激光通信等几种通信 技术路线，并比较了各系统的优缺点。展望了太赫兹通信技术的发展趋势和应用前景。 关键词：太赫兹通信；深空探测；调制解调；太赫兹发射机；太赫兹接收机 中图分类号：ＴＮ９１１．７４ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１８３９．０１０１００３ Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＹａｎｇＨｏｎｇｒｕ，ＬｉＨｏｎｇｇｕａｎｇ （ＸｉａｎＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓ，ＰｒｉｍａｒｙＯｐｔｉｃａｌＭｅｔｒｏｌｏｇｙＳｔａｔｉｏｎｏｎＳｃｉｅｎｃｅａｎｄ ＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｄｕｓｔｒｙｆｏｒＮａｔｉｏｎａｌＤｅｆｅｎｓｅ，Ｘｉａｎ７１００６５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ（ＴＨｚ）ｂａｎｄｌｏｃａｔｅｓｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｉｎｆｒａｒｅｄａｎｄｍｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄｈａｓｇｒｅａｔａｐｐｌｉ－ ｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｓｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｓｏｆｎａｔｉｏｎａｌｄｅｆｅｎｓｅｓｕｃｈａｓｓｐａｃｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ｓｈｏｒｔ－ｒａｎｇｅｔａｃｔｉ－ ｃａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ，ａｎｄｓｏｏｎ．Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｃａｔｅｇｏｒｉｅｓ，ｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｉｎｖｏｌｖｅｄｉｎｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｒｅｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｕｓａｎｄａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ ｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄｉｎｒｅｃｅｎｔｙｅａｒｓａｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄｔｈｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｄｉｓｔａｎｃｅｒｅａｃｈｅｓ２０ｋｍａｔ０．１４ＴＨｚｂａｎｄ，ｔｈｅｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｅ ｒｅａｃｈｅｓ１０５Ｇｂ／ｓａｔ０．３ＴＨｚｂａｎｄ．Ｓｅｖｅｒａｌｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｒｏｕｔｅｓａｒｅａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈａｔ ｃｏｎｃｌｕｄｅａｌｌｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｍｅｔｈｏｄ，ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｍｅｔｈｏｄａｎｄｑｕａｎｔｕｍｃａｓｃａｄｅｌａｓｅｒｃｏｍｍｕｎｉｃａ－ ｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄｔｈｅｉｒａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ．Ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ，ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｔｒｅｎｄａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｐｒｏｓｐｅｃｔｏｆｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｖｉｅｗｅｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｄｅｅｐｓｐａｃｅｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ；ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎａｎｄｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｔｅｒａ－ ｈｅｒｔｚｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ；ｔｅｒａｈｅｒｔｚｒｅｃｅｉｖｅｒ 引言 太赫兹波段位于红外和微波之间，频率范围 为０．１ＴＨｚ～１０ＴＨｚ（波长３０μｍ～３ｍｍ）。太赫 兹技术是国内外重点研究的前沿高新技术，美国 于２００６年将其定为国防重点科学。太赫兹波相对 于红外辐射有“穿透”功能，可穿透非金属和非极 性材料，相对于毫米波有较高的空间分辨率［１－４］。 太赫兹通信具有容量大、方向性好、保密性及抗干 扰能力强等特点，适用于战场末端多域组网、空间 飞行器抗“黑障”通信、高分辨率战场信息高速实 时传输［５－７］。 太赫兹通信相比于其他波谱通信，主要优点： １）可实现高速宽带无线通信。数据传输率高、容 量大，可达数十 Ｇｂ／ｓ。２）波束窄、方向性好、保密
应用光学2018,39(1)杨湾儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 .13 性好、抗干扰能力强。3)具有等离子体穿透能力 3)量子级联激光翠 适合空间飞行器重返大气层时等离子体“黑障”盲 量子级联激光器(QCL)太赫兹频率在1TH 区通信。4)太赫兹具有穿透沙尘浓烟的能力，大 以上。通过外调制器，QCL可实现调制频率在10 气中水蒸气吸收较强，适合恶劣环境下近距离保 GHz以上的直接调制。美国Sandia实验室研制 密通信。5)与微波通信相比，太赫滋发射接收天 出将QCL源和二极管检测器集成在一起的单片 线体积更小，在大气层外衰减很小，适合卫星通 收发器】 信、是地通信、航天器内部通信等。 4)真空太赫滋源 直空太赫效源主要指行波管放大器和扩展互 1 太赫兹通信系统 作用速调管放大器等，有望应用于远距离太赫兹 1,1太赫兹通信系统 通信系统。目前，折叠波导慢波结构行波管和场 太赫兹通信系统主要包括全电子学太赫蕊通 致发射冷阴极行被管是研究重点方向。美国NG 信系统、光申子太林兹通信系统、量子级联太林效 公司的0.67THz和0.85THz的折叠波导行波 通信系统 时域脉冲太赫兹通信系统等，性能参 管，在0.85THz的输出功率大于100mW 包括误码率、通信速率、传输距离、通信频段、发射 1.3 太赫兹通信接收探测器 功率和接收灵敏度等。日前太赫兹通信主要有2 对于太赫兹通信，通常用背特基二极管 种方法，一种是其干现有微波酒信技术，采用低 (SBD),检测频率大于2THz。启闭键控(OOK) 微波段调制方式，通过倍频技术到太赫兹频段 和幅移键控(ASK)等二元幅度调制的通信可采用 现通信：另一种是采用直接调制太赫兹源的方法 肖特基二极管进行非相干检测：多元幅相正交调 在太赫兹源上直接加载调制信号，实现太赫兹无 制(MPSK,MQAM)等多元正交调制的通信可采 线通信。 用肖特基一极管进行混频相干检测。在基于品体 太赫兹通信所用太赫兹发射 源 管T1C的相干混频检测方面，国外研制了基于 用于太棒兹通信的典型太赫兹源主要包括 30 nm InP HEMT的O.67THz相干接收机，包括 基于光电子原理的连续太赫兹源、电子学倍频太 低噪放、倍频源、混频器等，对于MQAM和 赫兹源、直空太林滋源和量子级联太林兹激光 MPSK等正交调制信号，解调时I/Q正交混桶器 器等 基于InP HEMT实现。太赫兹接收用的低噪声放 1)基于光电子原理的连续太赫兹源 大器采用InP HEMT和HBT品体管C。 基于光电子原理的连续太赫兹源，利用光电 1.4 太赫兹信号传输器件 子器件采用光学外差混频方法产：生太赫兹信号 太排兹通信的传输包括发射机、接收机中的 并进行调制。其产生原理： 是由2个窄线 的 有线传输和天线辐射后的空间电磁波传播。传输 光照射到光混频器上，通过差频获得太赫兹波，光 器件主要包括太赫兹传输线和滤波器等无源器 混颜器一般用载流子光电二极管(UTC-PD》:二是 件。基于超材料，光子品休，石墨等的微纳结构 由单台锁模脉冲意光器输出2个谱线照射到光电 太林兹传输器件是目前研究热点」 二极管上，通过差频得到太赫兹波信号。 1.5太赫兹通信大气传输特性 2)电子学倍频太赫兹源 太赫兹波段吸收衰减的影响表现为线谱吸 电子学倍频太赫兹源一般包括二极管倍频测 和连续吸收。对于长距离太赫兹脉冲传输，不同 和品体管TMIC倍频源。美国JPL实验室采用3 水汽密度和传输距离对被形幅值，相位及频谱特 个串联的三倍颜器级联，研制出最高频率达2.7 性有较大影响。太赫兹在350um(0.85 Tz的太赫兹源。肯特基倍频源输出功率在0， TH2),450m(0.67TH2),620m(0.48THz) THz时可达几十mW,在0.6THz时为1mW,在 735m(0.4THz)、870m(0.34THz)、0.24 2.5T1Hz2.7THz时为2W14uW9 THz和0.14THz附折，有大气衰减较低的“传给 晶体管倍频源是以场效应管和双极品体管等 窗口”。因，在0.1THz0.4THz波段可用干 品体管为基础的太赫慈单片集成电路(TMIC),是 远距离通信 而在0.4THz一1THz被段大气赛 太赫兹通信倍频源的主要发展方向可 减在数十dB/km以上，只能用于近距离战术通信， 10042018hi Jou Electronic Publishing House.All ights ved hup ww.cnki.ne
应用光学 ２０１８，３９（１） 杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 性好、抗干扰能力强。３）具有等离子体穿透能力， 适合空间飞行器重返大气层时等离子体“黑障”盲 区通信。４）太赫兹具有穿透沙尘浓烟的能力，大 气中水蒸气吸收较强，适合恶劣环境下近距离保 密通信。５）与微波通信相比，太赫兹发射接收天 线体积更 小，在 大 气 层 外 衰 减 很 小，适 合 卫 星 通 信、星地通信、航天器内部通信等。 １ 太赫兹通信系统 １．１ 太赫兹通信系统 太赫兹通信系统主要包括全电子学太赫兹通 信系统、光电子太赫兹通信系统、量子级联太赫兹 通信系统、时域脉冲太赫兹通信系统等，性能参数 包括误码率、通信速率、传输距离、通信频段、发射 功率和接收灵敏度等。目前太赫兹通信主要有２ 种方法：一种是基于现有微波通信技术，采用低频 微波段调制方式，通过倍频技术到太赫兹频段实 现通信；另一种是采用直接调制太赫兹源的方法， 在太赫兹源上直接加载调制信号，实现太赫兹无 线通信。 １．２ 太赫兹通信所用太赫兹发射源 用于太赫兹通信的典型太赫兹源主要包括： 基于光电子原理的连续太赫兹源、电子学倍频太 赫兹源、真 空 太 赫 兹 源 和 量 子 级 联 太 赫 兹 激 光 器等。 １）基于光电子原理的连续太赫兹源 基于光电子原理的连续太赫兹源，利用光电 子器件采用光学外差混频方法产生太赫兹信号， 并进行调制。其产生原理：一是由２个窄线宽的激 光照射到光混频器上，通过差频获得太赫兹波，光 混频器一般用载流子光电二极管（ＵＴＣ－ＰＤ）；二是 由单台锁模脉冲激光器输出２个谱线照射到光电 二极管上，通过差频得到太赫兹波信号［８］。 ２）电子学倍频太赫兹源 电子学倍频太赫兹源一般包括二极管倍频源 和晶体管 ＴＭＩＣ倍频源。美国ＪＰＬ 实验室采用３ 个串联的三倍频器级联，研制出最高频率达 ２．７ ＴＨｚ的太赫兹源。肖特基倍频源输出功率在０．３ ＴＨｚ时可达几十 ｍＷ，在０．６ＴＨｚ时为１ｍＷ，在 ２．５ＴＨｚ～２．７ＴＨｚ时为２μＷ～１４μＷ［９］。 晶体管倍频源是以场效应管和双极晶体管等 晶体管为基础的太赫兹单片集成电路（ＴＭＩＣ），是 太赫兹通信倍频源的主要发展方向［１０］。 ３）量子级联激光器 量子级联激光器（ＱＣＬ）太赫兹频率在１ＴＨｚ 以上。通过外调制器，ＱＣＬ 可实现调制频率在１０ ＧＨｚ以上的直接调制。美国 Ｓａｎｄｉａ实验室研制 出将 ＱＣＬ源和二极管检测器集成在一起的单片 收发器。 ４）真空太赫兹源 真空太赫兹源主要指行波管放大器和扩展互 作用速调管放大器等，有望应用于远距离太赫兹 通信系统。目前，折叠波导慢波结构行波管和场 致发射冷阴极行波管是研究重点方向。美国 ＮＧ 公司的０．６７ＴＨｚ和０．８５ＴＨｚ的折叠波导行波 管，在０．８５ＴＨｚ的输出功率大于１００ｍＷ。 １．３ 太赫兹通信接收探测器 对 于 太 赫 兹 通 信，通 常 用 肖 特 基 二 极 管 （ＳＢＤ），检测频率大于２ＴＨｚ。启闭键控（ＯＯＫ） 和幅移键控（ＡＳＫ）等二元幅度调制的通信可采用 肖特基二极管进行非相干检测；多元幅相正交调 制（ＭＰＳＫ、ＭＱＡＭ）等多元正交调制的通信可采 用肖特基二极管进行混频相干检测。在基于晶体 管 ＴＭＩＣ 的相干混频检测方面，国外研制了基于 ３０ｎｍＩｎＰＨＥＭＴ 的０．６７ＴＨｚ相干接收机，包括 低噪 放、倍 频 源、混 频 器 等。 对 于 ＭＱＡＭ 和 ＭＰＳＫ 等正交调制信号，解调时Ｉ／Ｑ 正交混频器 基于ＩｎＰＨＥＭＴ 实现。太赫兹接收用的低噪声放 大器采用ＩｎＰＨＥＭＴ 和 ＨＢＴ 晶体管［１１－１２］。 １．４ 太赫兹信号传输器件 太赫兹通信的传输包括发射机、接收机中的 有线传输和天线辐射后的空间电磁波传播。传输 器件主要 包 括 太 赫 兹 传 输 线 和 滤 波 器 等 无 源 器 件。基于超材料、光子晶体、石墨烯等的微纳结构 太赫兹传输器件是目前研究热点。 １．５ 太赫兹通信大气传输特性 太赫兹波段吸收衰减的影响表现为线谱吸收 和连续吸收。对于长距离太赫兹脉冲传输，不同 水汽密度和传输距离对波形幅值、相位及频谱特 性有 较 大 影 响 ［１３］。 太 赫 兹 在 ３５０ μｍ （０．８５ ＴＨｚ）、４５０μｍ（０．６７ＴＨｚ）、６２０μｍ（０．４８ＴＨｚ）、 ７３５μｍ（０．４ ＴＨｚ）、８７０μｍ（０．３４ ＴＨｚ）、０．２４ ＴＨｚ和０．１４ＴＨｚ附近，有大气衰减较低的“传输 窗口”。因此，在０．１ＴＨｚ～０．４ＴＨｚ波段可用于 远距离通信。而在０．４ＴＨｚ～１ＴＨｚ波段大气衰 减在数十ｄＢ／ｋｍ 以上，只能用于近距离战术通信。 ·１３·
14 应用光学2018,39(1)杨湾儒，等：太赫兹被通信技术研究进层 在大于1THz的太炼兹高瓶段，受大气衰成和调 线诵信，但对太赫兹源稳定性、调制器低相噪要求 制技术的制约，目前的通信传输速奉较低，距房 非常高。 较 美国正研究利用电磁波代替电流信号，研制 1.6太桔兹通信系统性能参数测试及优化 太林效顿段工作的新型信号调制器，提高速率达 太林兹通信系统需要研究其性能参数测试评 每秒万亿字节，比日前的由流调制系统快100倍 估技术，研究重点为太赫兹通信发射系统、接收系 调制技术发展重点是采用外部调制器与新型半号 统及整机通信参数测试技术和太赫兹通信测试设 体材料、石墨烯材料结合，实现快速调制。 备校准技术，以实现太赫兹通信系统的联调、性能 2.3宽带大容量数据网络处理技术 指标的测试及系统优化。 为更好地利用太赫兹额段的传给容量，太林 兹宽带大容量数据网络处理技术是必须进行研究 2太赫兹通信关键技术 的关键技术。未米的无线技术需要10Gb/s以」 发展太赫兹高速远距高通信，需研究太赫 的传输速率，超过了电调制方式，传统的无线通信 集成微系统技术，高速太赫兹调制解调技术和宛 由周制书术口不活用[在大林总高速国终小议 带大容量数据网铬处理等关键技术。目前在国际 技术方面，l00Gb/s的高速点对点数据流和高速 上，对室内外的通信信道建模、传输效应、调制方 网络协议是研究重点，太赫兹频段网络MAC协议 案和硬件器件研制等方面进行了深人研究。 (PHLAME)可支特密集纳网络以几十Gb/s的速 2 太赫兹集成微系统技术 率传输，目前国外正在推进近距离无线通信技术 太赫兹技术是电子学、光子学和MEMS 的标准化 NEMS技术的有机结合。太赫兹产生、放大，接收 拾测、解调天线和信外理等元器件可基 3 太赫兹通信技术发展现状 集成微系统技术形成异构集成的太赫兹通信系 目前日本、美国、德国等发达国家太赫兹通信 统。国际上，日本NTT公司，德国IAF研究所，美 技术居于领先水平，其中日本NTT公司电子通信 国Sandia实：验宝、单国IPL.实验宝等均开展了基 实给富在大抹蕊无线品域网通信技术方面处干国 于集成微系统技术的太赫兹酒信系统研发 际领先地位。美国国防预先研究计划局(DAR 2.2 高速太赫兹通信调制解调技术 PA)制定 了“太赫兹作战延伸后方(THOR)”计划 太赫慈波段作为通信载波，10Gb/s以上的调 该计划包含研发和评估一系列可用于移动的Ad 制速率才能发挥太赫兹通信的宽带优势，具有应 Ho心自由空间光通信系统的技术，通过移动自由 用价值[)。技术上一般采用3种太赫兹通信调 空间光路径将窗带通信（宽管首类型）征伸到战 方式：1)电混频技术的太赫兹调制方式，其采用 区。目前，国际上完成的太赫兹无线通信系统有 电混技术来调制太赫兹波，低频射频信号经过 日本NTT的0.125THz和0.3THz通信系 倍领过渡到太慧蕊颜段，然后采用电混频器实现 统[0)德国1AF的0.22THz和0.24THz福信 太赫兹波的调制：2)光找太赫兹波技术的调制方 系统美国BelI实验室的0.625THz通信系 式是借助光被作为间接的载体来实现太赫兹对 统四。国内代表性成果有：中国工程物理研究院 号的调制和发射：3)太赫兹频段直接调制方式是 电子工程研究所的0.14THz和0.34THz通信系 在太转兹源上直接加载基带信号实现无线通信 统、中科院微系统与信息技术研究所的4.1TH? 但目前调制器的处理速度无法超过其控制电子学 通信系统。国内外太赫兹通信典型系统主要指标 线路的速度。目前电混频技术和光载太赫兹波2 如表1所示 种调制方式均采用低频微被段调制方式，通过倍 3.1 日本木赫兹通信研究进展 频等技术到太赫兹频段实现通信过程。其缺点是 日本太棒兹通信技术以日本信息与通信技术 采用上下变频和多种调制技术，增加了通信系统 研究所(NTT)为代表，该公司在国际上较早开展 的复杂度。 通信速率由倍频前的低颜频率决定 太赫兹通信技术研究。其研究成果：日本NTT 无法体现太赫兹通信的超高带宽优势。而直接调 先后基于光电结合和全电子学的方式，采用幅移 制方式在太林兹源上直接加载基带信号，实现无 建腔ASK体制研制出了0.12THz和0.3TH2 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
应用光学 ２０１８，３９（１） 杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 在大于１ＴＨｚ的太赫兹高频段，受大气衰减和调 制技术的 制 约，目 前 的 通 信 传 输 速 率 较 低，距 离 较近［１４］。 １．６ 太赫兹通信系统性能参数测试及优化 太赫兹通信系统需要研究其性能参数测试评 估技术，研究重点为太赫兹通信发射系统、接收系 统及整机通信参数测试技术和太赫兹通信测试设 备校准技术，以实现太赫兹通信系统的联调、性能 指标的测试及系统优化。 ２ 太赫兹通信关键技术 发展太赫兹高速远距离通信，需研究太赫兹 集成微系统技术、高速太赫兹调制解调技术和宽 带大容量数据网络处理等关键技术。目前在国际 上，对室内外的通信信道建模、传输效应、调制方 案和硬件器件研制等方面进行了深入研究［１５］。 ２．１ 太赫兹集成微系统技术 太赫 兹 技 术 是 电 子 学、光 子 学 和 ＭＥＭＳ／ ＮＥＭＳ 技术的有机结合。太赫兹产生、放大、接收 检测、调制解调、天线和信号处理等元器件可基于 集成微系 统 技 术 形 成 异 构 集 成 的 太 赫 兹 通 信 系 统。国际上，日本 ＮＴＴ 公司、德国ＩＡＦ研究所、美 国Ｓａｎｄｉａ实验室、美国ＪＰＬ 实验室等均开展了基 于集成微系统技术的太赫兹通信系统研发。 ２．２ 高速太赫兹通信调制解调技术 太赫兹波段作为通信载波，１０Ｇｂ／ｓ以上的调 制速率才能发挥太赫兹通信的宽带优势，具有应 用价值［１６］。技术上一般采用３种太赫兹通信调制 方式：１）电混频技术的太赫兹调制方式，其采用 电混频技术来调制太赫兹波，低频射频信号经过 倍频过渡到太赫兹频段，然后采用电混频器实现 太赫兹波的调制；２）光载太赫兹波技术的调制方 式是借助光波作为间接的载体来实现太赫兹对信 号的调制和发射；３）太赫兹频段直接调制方式是 在太赫兹源上直接加载基带信号实现无线通信， 但目前调制器的处理速度无法超过其控制电子学 线路的速度。目前电混频技术和光载太赫兹波２ 种调制方式均采用低频微波段调制方式，通过倍 频等技术到太赫兹频段实现通信过程。其缺点是 采用上下变频和多种调制技术，增加了通信系统 的复杂度。通信速率由倍频前的低频频率决定， 无法体现太赫兹通信的超高带宽优势。而直接调 制方式在太赫兹源上直接加载基带信号，实现无 线通信，但对太赫兹源稳定性、调制器低相噪要求 非常高［１７－１８］。 美国正研究利用电磁波代替电流信号，研制 太赫兹频段工作的新型信号调制器，提高速率达 每秒万亿字节，比目前的电流调制系统快１００倍。 调制技术发展重点是采用外部调制器与新型半导 体材料、石墨烯材料结合，实现快速调制。 ２．３ 宽带大容量数据网络处理技术 为更好地利用太赫兹频段的传输容量，太赫 兹宽带大容量数据网络处理技术是必须进行研究 的关键技术。未来的无线技术需要１０Ｇｂ／ｓ以上 的传输速率，超过了电调制方式，传统的无线通信 电调制技术已不适用［１９］。在太赫兹高速网络协议 技术方面，１００Ｇｂ／ｓ的高速点对点数据流和高速 网络协议是研究重点，太赫兹频段网络 ＭＡＣ协议 （ＰＨＬＡＭＥ）可支持密集纳网络以几十 Ｇｂ／ｓ的速 率传输，目前国外正在推进近距离无线通信技术 的标准化。 ３ 太赫兹通信技术发展现状 目前日本、美国、德国等发达国家太赫兹通信 技术居于领先水平，其中日本 ＮＴＴ 公司电子通信 实验室在太赫兹无线局域网通信技术方面处于国 际领先地 位。美 国 国 防 预 先 研 究 计 划 局 （ＤＡＲ－ ＰＡ）制定了“太赫兹作战延伸后方（ＴＨＯＲ）”计划， 该计划包含研发和评估一系列可用于移动的 Ａｄ－ Ｈｏｃ自由空间光通信系统的技术，通过移动自由 空间光路 径 将 宽 带 通 信 （宽 管 道 类 型）延 伸 到 战 区。目前，国际上完成的太赫兹无线通信系统有 日本 ＮＴＴ 的 ０．１２５ ＴＨｚ 和 ０．３ ＴＨｚ 通 信 系 统［２０－２１］、德国ＩＡＦ的０．２２ＴＨｚ和０．２４ＴＨｚ通信 系 统、美 国 Ｂｅｌｌ实 验 室 的 ０．６２５ ＴＨｚ 通 信 系 统［２２］。国内代表性成果有：中国工程物理研究院 电子工程研究所的０．１４ＴＨｚ和０．３４ＴＨｚ通信系 统、中科院微系统与信息技术研究所的４．１ＴＨｚ 通信系统。国内外太赫兹通信典型系统主要指标 如表１所示。 ３．１ 日本太赫兹通信研究进展 日本太赫兹通信技术以日本信息与通信技术 研究所（ＮＴＴ）为代表，该公司在国际上较早开展 了太赫兹通信技术研究。其研究成果：日本 ＮＴＴ 先后基于光电结合和全电子学的方式，采用幅移 键控 ＡＳＫ 体制研制出了０．１２ＴＨｚ和０．３ＴＨｚ · ４１ ·
应用光学2018,39(1)杨鸿儒，等：太赫袭波通信技术研究进展 .15 通信系统2)。 Gb/s光学ASK调制，然后激励TC-PD产生 3.1.1 基于光电子原理的0.125THz通信系统 THz载波，发射功率为10dBm ,通信距离为200 2004年NTT公司研制0.125THz的太赫 m。该系统产生0.125THz载波信号，将数宁 兹无线通信系统，该系统采用基于UTC-PD单 信号输入到光强度调制器，对光副载波信号进 行载流子光电二极管发射太赫兹源和光学MZM 行调制放大，输入到太赫盛发射机，完成了传输 调制的发射机，以及肖特基二极管检测接收机 速奉为10Gb/s距离为300m~800m的传输 在发射端采用光学方法对1552nm激光进行10 实验。 表】国内外太赫兹通信典型系统主要指标 Table 1 Main indices of typical terahertz commucation system both at home and abroad 研究机构 颇半/TH 信号传输距离/m通信速半/(Gb/ 技术(Tx/Rx) 日本NTT 0.125 UTC-PD/MMR 0.125 5.8×10(FEC MMIC/MMIC 0.3 500 UTC-PD/SED 0. rMIC/TMIC 德国Fraunhofer IAF 0.2 1×10 0.24 UTC-PD/HEMT+TMIC Osaka-U.NTT. 0.3-0.4 20 PD/Dise.Comp 法国IEMN 0.2 1 PD/外差 Rohm.Osaka-U 0.3 1,5 Reso diode/D.Com 美国贝尔实验室 0.625 lo 2.5 倍领器件/SBD Bell lab.NJ Ins.Of Tee 0.1~2.5 1×10- THz TDS(external Tx bias) NTT(Italy).CNRS 1×10 THz QCL/HEB 0.14 500 10 中国工程物理研究院 0.14 2.1×10 5(单路 0.34 0 SHM/SHM 中科院微系统所 4.1 580×10- THz QCL/THz QWP 3.1.2基于全电子学原理的0.125TH2通信 是将15.625Gz信号经8倍频至0.125THz,而输 系统 人的光信号数据经光由转换为由信号数据后对 2007年.NTT公司研究了全电子学0.125 0.125THz载波进行ASK调制，然后经过二级放大 TH发射机。太赫兹发射采用高速 nP半导体器 器放大后(40mW)检出至天线，接收端仍然采用肖 件替代光电子器件，输出功率为10dBm,卡塞格 特基二极管检测技术来实现。2009年进行了5. 林天线直径为450mm,可同时传输6路未压缩的 km的远距离传输实验，2012年使用天线极化复用 高洁电视信号(HDTV) 技术实现双向10Gb/s或单向20Gb/s传输谏率 200 :年运用前向纠错技术，成功实现了 基于 光电子原理和全电子2种通信技术的比较如表 10Gb/s数据速率的无差错传输。该系统工作原理 2所示，可看出全电子通信技术具有明显优势而 表？NTT光电子和全电子通信技术的比较 Table 2 Com rision of communication technology between photoelectron theory and electronics in NTT UTC-PD系统 InP HEMT MMIC系统 116.5-133.5 116.5-133.5 输出功半/aB 10 16 调制方式 ASK ASK 数据速率/Gb/ 9.953-11.096 1×10-411.096 1002018hi al Electronie Publishing House.All rights reserved. htp: www.cnki.ne
应用光学 ２０１８，３９（１） 杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 通信系统［２３－２４］。 ３．１．１ 基于光电子原理的０．１２５ＴＨｚ通信系统 ２００４ 年 ＮＴＴ 公 司 研 制 ０．１２５ＴＨｚ的 太 赫 兹无线 通 信 系 统。该 系 统 采 用 基 于 ＵＴＣ－ＰＤ 单 行载流子光电二极管发射太赫兹源和光学 ＭＺＭ 调制的发 射 机，以 及 肖 特 基 二 极 管 检 测 接 收 机。 在发射端采用光学方法对１５５２ｎｍ 激光进行１０ Ｇｂ／ｓ光 学 ＡＳＫ 调 制，然 后 激 励 ＵＴＣ－ＰＤ 产 生 ＴＨｚ载波，发射功率为１０ｄＢｍ，通信距离为２００ ｍ。该系 统 产 生 ０．１２５ ＴＨｚ载 波 信 号，将 数 字 信 号 输 入 到 光 强 度 调 制 器，对 光 副 载 波 信 号 进 行调制放大，输入到太 赫 兹 发 射 机，完 成 了 传 输 速率为１０Ｇｂ／ｓ、距离为 ３００ ｍ～８００ ｍ 的 传 输 实验。 表１ 国内外太赫兹通信典型系统主要指标 Ｔａｂｌｅ１ Ｍａｉｎｉｎｄｉｃｅｓｏｆｔｙｐｉｃａｌｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂｏｔｈａｔｈｏｍｅａｎｄａｂｒｏａｄ 研究机构 频率／ＴＨｚ 信号传输距离／ｍ 通信速率／（Ｇｂ／ｓ） 技术（Ｔｘ／Ｒｘ） 日本 ＮＴＴ ０．１２５ ８００（ＨＤＴＶ） １０ ＵＴＣ－ＰＤ／ＭＭＩＣ ０．１２５ ５．８×１０３（ＦＥＣ） １０ ＭＭＩＣ／ＭＭＩＣ ０．３ － １０５ ０．３４ ５００ ２４ ＵＴＣ－ＰＤ／ＳＢＤ 德国 ＦｒａｕｎｈｏｆｅｒＩＡＦ ０．２２ － ０．０１ ＴＭＩＣ／ＴＭＩＣ ０．２４ １×１０３ ４０ ０．２４ ２０ １００ ＵＴＣ－ＰＤ／ＨＥＭＴ＋ＴＭＩＣ Ｏｓａｋａ－Ｕ．ＮＴＴ． ０．３～０．４ － ２０ ＰＤ／Ｄｉｓｃ．Ｃｏｍｐ 法国ＩＥＭＮ ０．２ － １ ＰＤ／外差 Ｒｏｈｍ．Ｏｓａｋａ－Ｕ ０．３ － １．５ Ｒｅｓｏｎａｎｔ－ｔｕｎｎｅｌｉｎｇｄｉｏｄｅ／Ｄｉｓｃ．Ｃｏｍｐ 美国贝尔实验室 ０．６２５ １０ ２．５ 倍频器件／ＳＢＤ Ｂｅｌｌｌａｂ．ＮＪＩｎｓ．ＯｆＴｅｃ ０．１～２．５ １ １×１０－３ ＴＨｚＴＤＳ（ｅｘｔｅｒｎａｌＴｘｂｉａｓ） ＮＴＴ（Ｉｔａｌｙ）．ＣＮＲＳ ２．５ ３ １×１０－３ ＴＨｚＱＣＬ／ＨＥＢ 中国工程物理研究院 ０．１４ ５００ １０ ０．１４ ２．１×１０４ ５（单路） ０．３４ ５０ ３ ＳＨＭ／ＳＨＭ 中科院微系统所 ４．１ ２ ５８０×１０－６ ＴＨｚＱＣＬ／ＴＨｚＱＷＰ ３．１．２ 基 于 全 电 子 学 原 理 的 ０．１２５ ＴＨｚ通 信 系统 ２００７年，ＮＴＴ 公 司 研 究 了 全 电 子 学 ０．１２５ ＴＨｚ发射机。太赫兹发射采用高速ＩｎＰ半导体器 件替代光电子器件，输出功率为１０ｄＢｍ，卡塞格 林天线直径为４５０ｍｍ，可同时传输６路未压缩的 高清电视信号（ＨＤＴＶ）。 ２００８年 运 用 前 向 纠 错 技 术，成 功 实 现 了 １０Ｇｂ／ｓ数据速率的无差错传输。该系统工作原理 是将１５．６２５ＧＨｚ信号经８倍频至０．１２５ＴＨｚ，而输 入的光信号数据经光－电转换为电信号数据后对 ０．１２５ＴＨｚ载波进行 ＡＳＫ 调制，然后经过二级放大 器放大后（４０ｍＷ）输出至天线，接收端仍然采用肖 特基二极管检测技术来实现。２００９年进行了５．８ ｋｍ的远距离传输实验，２０１２年使用天线极化复用 技术实现双向１０Ｇｂ／ｓ或单向２０Ｇｂ／ｓ传输速率。 基于光电子原理和全电子２种通信技术的比较如表 ２所示，可看出全电子通信技术具有明显优势［２５－２６］。 表２ ＮＴＴ光电子和全电子通信技术的比较 Ｔａｂｌｅ２ ＣｏｍｐａｒｉｓｉｏｎｏｆｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｂｅｔｗｅｅｎｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｔｈｅｏｒｙａｎｄｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓｉｎＮＴＴ 名 称 ＵＴＣ－ＰＤ 系统 ＩｎＰＨＥＭＴ ＭＭＩＣ系统 中心频率／ＧＨｚ １２５ １２５ 占用带宽／ＧＨｚ １１６．５～１３３．５ １１６．５～１３３．５ 输出功率／ｄＢｍ １０ １６ 调制方式 ＡＳＫ ＡＳＫ 数据速率／Ｇｂ／ｓ ９．９５３～１１．０９６ １×１０－３～１１．０９６ ·１５·
16 应用光学2018,39(1)杨湾儒，等：太赫兹被通信技术研究进展 3.1,3基于全电子学原理的0,34THz通信系统 全光学通信雄路演示实验。该链路利用工作在味 NTT公司的0.34TH通信系统采用UT0 冲模式的THzQCL作为发射源，THzQWP作为 PD为发射器，SBD为探测器，ASK调制方式。 接收器，采用强度调制方式，通信频点为3.8THz 2012年，在UTC-PD输出功率约为200uW和电 3.3欧洲太赫兹通信研究进展 流为95mA时.实现了0.5m距离24Gb/s传 欧盟将太林兹是际通信列为太空计划的主要 通信，误码率可达到2×10-”。其工作原理 调 研究领城，研究0.1THz~1,5THz波段的星际 信号经由脉冲发生器驱动的光强调制器对其中 通信。 束光波进行调制，再将两束可滥诺激光据合放大 德国布伦瑞克工业大学通信实验室研究TH 后照射到JTC-PD十，利用差产生0.34TH 自由空间信道特性，THz天线设计及350GHz无 波，在接收端利用肖特基二极管SBD对TH2波进 线通信信道和系统的建模与仿直)，2005年，设 行直接强度探测，发射天线、接收天线增益分别为 计了常温下新型半导体太赫兹调制器，与太赫慈 40dB和35dB。 时域光谱仪组合，实现了太抹兹窗脉冲以75M日 日本NTT公司基于UTc-PD技术，在Q,3 重复速率传输频率高于25kHz的音频信号通信 TH2~0.4THz的典型输出功率丝 为100W 最 2008年，德国Jastrow等人利用VDI公司的太书 大400uW:在0.4THz1THz输出功率约为10 兹器件设计了300GHz太赫兹通信系统，成功传 W。目前正在研究0.5THz~0.6THz频段高 输视频信号，传输距高为22m。2010年，德国 速率大容量太赫慈无线通信系统[们。 物理技术研究院和德国国家计量所研制了30( 2017 年，日本信息与通信技术研究所(NTT GH2信道测量系统 ,该系统采用2个发射器与衫 开发 一套300GHz的通信传输系统，发射器单 波器、肖特基二极管混频器和金属被导，实现了96 通道的数据传输速率高达105Gb/g.额率在290 Mb/s的DVB一S2数字信号的传输，传输距离达 GHz和315GHz范围内，太赫兹超高速通信在 到52m即。2011年，德国1AF研究所研制了基 卫星领城的动态网络连接方面具有较大的潜力。 于 InP mHEMT TMIC的全固态.22THz通信 3,2美国和加拿大太赫兹通信研究进展 系统#，分别采用16QAM、64QAM,128QAM 针对太铸兹无线通信的巨大应用优势与前 和256QAM调制方式进行了DVBC数据传输 景，美国NASA很早就已着手太赫兹通信计划，美 64QAM的传输码率为10Mb/s,256QAM的传 国空军也推出了安全短距离大气通信计划。 美国 输码率为14Mb/s,在相距1m时误码率分别为 BeI实验室的0.625THz通信系统是目前报道的 1×10-和9.1×10-，传输码速率从7.5Gb/s到 采用全电子学方式实现最高载波频率的太赫兹通 25Gb/。.石离为05m到2m.2013年.该研穷 信系统，其发射功奉为1mw,传输速率达到2.5 所研制了全周态0.24THz通信系统，实现1km Gb/s。基于肖特基 极管，采用4个2倍频器和 以上的传输距离，同时，在0.24TH2基 个三倍频器组成级联的倍频太赫兹源：接收机果 子学方式实现了40Gb/s速率、1km距离的无线 用肖特基二极管检测器，基于双二进制基带调制 传输，采用mHEMT工艺研究的发射机和接收机 制式，传输速率为2.5Gb/ TMIC芯片仅有4mm×1.5mm 大小〔 2008年，加拿大多伦多大学基于SiGe HBT 2013年10月，1AF采用光电变换的发射机（光学 MMⅡC技术的165GHz/170GHz接收机和基于 梳状谱+UTC-PD,)和电子学的HEMT TMIC接 SiGe BiCMOS MMIC技术的O.14THz接收机 收机称片[)，基于QPSK、16QAM多元调制体 在单芯片上集成了振荡器、混频器、放大器、ASK 制，在0.24THz实现了100Gb/s速奉和20m距 调制器和64静态分频器等组件，构成完整的射频 离的无线传输和离线软件解调 。进 一步研究期 信道，实现了数米距离内的4Gb/s无线通信可 在0.2TH2~0.3THz的大气窗口内通信速率达 2008年，该实验室在0.3THz频率上成功实现6 到1Tb/s。另外，德国达胡施塔特工业大学研发 MH2带宽模拟彩色视频基带信号的传输，实验距 布室温下使用的微型太赫兹发射器，其工作频南 离22m 。加拿 大国家研究院微结构科学研 为1,111THz。 所2009年完成了基于THz QCL和THz QWP的 2007年法国S.Barbieri等人通过改变偏压 994-2018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved.http://www.enki.ne
应用光学 ２０１８，３９（１） 杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 ３．１．３ 基于全电子学原理的０．３４ＴＨｚ通信系统 ＮＴＴ 公司的０．３４ＴＨｚ通信系统采用 ＵＴＣ－ ＰＤ为 发 射 器，ＳＢＤ 为 探 测 器，ＡＳＫ 调 制 方 式。 ２０１２年，在 ＵＴＣ－ＰＤ 输出功率约为２００μＷ 和电 流为９．５ｍＡ 时，实现了０．５ｍ 距离２４Ｇｂ／ｓ传输 通信，误码率可达到２×１０－９。其工作原理是调制 信号经由脉冲发生器驱动的光强调制器对其中一 束光波进行调制，再将两束可调谐激光耦合放大 后照射到 ＵＴＣ－ＰＤ 上，利用其差频产生０．３４ＴＨｚ 波，在接收端利用肖特基二极管ＳＢＤ 对 ＴＨｚ波进 行直接强度探测，发射天线、接收天线增益分别为 ４０ｄＢ和３５ｄＢ。 日本 ＮＴＴ 公 司 基 于 ＵＴＣ－ＰＤ 技 术，在 ０．３ ＴＨｚ～０．４ＴＨｚ的典型输出功率约为１００μＷ ，最 大４００μＷ；在０．４ＴＨｚ～１ＴＨｚ输出功率约为１０ μＷ 。目前正在研究０．５ＴＨｚ～０．６ＴＨｚ频段高 速率大容量太赫兹无线通信系统［２７］。 ２０１７年，日本信息与通信技术研究所（ＮＴＴ） 开发了一套３００ＧＨｚ的通信传输系统，发射器单 通道的数据传输速率高达１０５Ｇｂ／ｓ，频率在 ２９０ ＧＨｚ和３１５ＧＨｚ范围内。太赫兹超高速通信在 卫星领域的动态网络连接方面具有较大的潜力。 ３．２ 美国和加拿大太赫兹通信研究进展 针对太 赫 兹 无 线 通 信 的 巨 大 应 用 优 势 与 前 景，美国 ＮＡＳＡ 很早就已着手太赫兹通信计划，美 国空军也推出了安全短距离大气通信计划。美国 Ｂｅｌｌ实验室的０．６２５ＴＨｚ通信系统是目前报道的 采用全电子学方式实现最高载波频率的太赫兹通 信系统，其发射功率为１ｍＷ，传输速率达到２．５ Ｇｂ／ｓ。基于肖特基二极管，采用４个２倍频器和１ 个三倍频器组成级联的倍频太赫兹源；接收机采 用肖特基二极管检测器，基于双二进制基带调制 制式，传输速率为２．５Ｇｂ／ｓ。 ２００８ 年，加拿大多伦多大学基于 ＳｉＧｅＨＢＴ ＭＭＩＣ 技术的１６５ＧＨｚ／１７０ＧＨｚ接收机和基于 ＳｉＧｅＢｉＣＭＯＳ ＭＭＩＣ 技术的０．１４ＴＨｚ接收机， 在单芯片上集成了振荡器、混频器、放大器、ＡＳＫ 调制器和６４ 静态分频器等组件，构成完整的射频 信道，实现了数米距离内的４Ｇｂ／ｓ无线通信［２８－２９］。 ２００８ 年，该实验室在０．３ＴＨｚ频率上成功实现６ ＭＨｚ带宽模拟彩色视频基带信号的传输，实验距 离２２ｍ［３０］。加拿大国家研究院微结构科学研究 所２００９年完成了基于 ＴＨｚＱＣＬ和 ＴＨｚＱＷＰ的 全光学通信链路演示实验。该链路利用工作在脉 冲模式的 ＴＨｚＱＣＬ作为发射源，ＴＨｚＱＷＰ作为 接收器，采用强度调制方式，通信频点为３．８ＴＨｚ。 ３．３ 欧洲太赫兹通信研究进展 欧盟将太赫兹星际通信列为太空计划的主要 研究领域，研究０．１ＴＨｚ～１．５ＴＨｚ波段的星际 通信。 德国布伦瑞克工业大学通信实验室研究 ＴＨｚ 自由空间信道特性、ＴＨｚ天线设计及３５０ＧＨｚ无 线通信信道和系统的建模与仿真［３１］，２００５ 年，设 计了常温下新型半导体太赫兹调制器，与太赫兹 时域光谱仪组合，实现了太赫兹宽脉冲以７５ ＭＨｚ 重复速率传输频率高于２５ｋＨｚ的音频信号通信。 ２００８年，德国Ｊａｓｔｒｏｗ 等人利用 ＶＤＩ公司的太赫 兹器件设计了３００ＧＨｚ太赫兹通信系统，成功传 输视频信号，传输距离为２２ｍ［３２］。２０１０年，德国 物理技 术 研 究 院 和 德 国 国 家 计 量 所 研 制 了 ３００ ＧＨｚ信道测量系统。该系统采用２个发射器与检 波器、肖特基二极管混频器和金属波导，实现了９６ Ｍｂ／ｓ的 ＤＶＢ－Ｓ２数字信号的传输，传输距离达 到５２ｍ［３３］。２０１１年，德国ＩＡＦ 研究所研制了基 于ＩｎＰｍＨＥＭＴＴＭＩＣ 的全固态０．２２ＴＨｚ通信 系统［３４－３５］，分别采用１６ＱＡＭ、６４ＱＡＭ、１２８ＱＡＭ 和２５６ＱＡＭ 调制方式进行了 ＤＶＢ－Ｃ 数据传输， ６４ＱＡＭ 的传输码率为１０ Ｍｂ／ｓ，２５６ＱＡＭ 的传 输码率为１４ Ｍｂ／ｓ，在相距１ ｍ 时误码率分别为 １×１０－８和９．１×１０－４，传输码速率从７．５Ｇｂ／ｓ到 ２５Ｇｂ／ｓ，距离为０．５ｍ 到２ｍ。２０１３年，该研究 所研制了全固态０．２４ＴＨｚ通信系统，实现１ｋｍ 以上的传输距离［３６］；同时，在０．２４ＴＨｚ基于全电 子学方式实现了４０Ｇｂ／ｓ速率、１ｋｍ 距离的无线 传输，采用 ｍＨＥＭＴ 工艺研究的发射机和接收机 ＴＭＩＣ 芯 片 仅 有 ４ ｍｍ×１．５ ｍｍ 大 小 ［３７－３８］。 ２０１３年１０月，ＩＡＦ 采用光电变换的发射机（光学 梳状谱＋ＵＴＣ－ＰＤ，）和电子学的 ＨＥＭＴＴＭＩＣ 接 收机芯 片［３９］，基 于 ＱＰＳＫ、１６ ＱＡＭ 多 元 调 制 体 制，在０．２４ＴＨｚ实现了１００Ｇｂ／ｓ速率和２０ｍ 距 离的无线传输和离线软件解调。进一步研究期望 在０．２ＴＨｚ～０．３ＴＨｚ的大气窗口内通信速率达 到１Ｔｂ／ｓ。另外，德国达姆施塔特工业大学研发 布室温下使用的微型太赫兹发射器，其工作频率 为１．１１１ＴＨｚ。 ２００７年法国 Ｓ．Ｂａｒｂｉｅｒｉ等人通过改变偏压直 ·１６·
应用光学2018,39(1)杨鸿儒，等：太赫袭波通信技术研究进展 .17. 接调制太赫兹量子级联激光器在2.8THz实现 器，发射功率在瓦量级的太赫兹信号，实现了增益 Gb/s传输速奉，但是量子级联激光器需要在超低 25,3dB,等效全向辐射功率(EIRP)达到了 温下工作，限制了技术的实际应用 76 dBm 2010年，意大利、法国和俄国的F.Palma,F 目前中国工程物理研究院正在开展0.14 Teppe和Y.Vachontin等人，研制了以THz QCI THz0.34THz的TMIC芯片技术研究、几十 作为发射源，以HEB作为探测器的太赫兹通信系 Gb/s的超高速太赫兹调制解调技术研究、固态功 统，调制速率在MHz量级。 率合成和折叠波导行波管放大器研究，以获得全 周态，大功率太赫蕊福射源，实现更远传输 4太赫兹通信技术国内发展现状 石离[6的 国内“十一五”期间，中国工程物理研究院、电 4,2中科院上海微系统所QCL太赫兹通信技术 子科技大学、中科院上海微系统与信息技术研究 研究进展 所等单位进行了太赫兹通信关健技术和功能器件 中科院上海微系统所实现了3.9THz和4.1 的研究并取得】 定的成果。国内太赫兹通信 THz颜点上的音领通信。2010年，基于太转兹量 要有：中国工程物理研究院电子工程研究所的 子级联激光翠(OL)和太赫兹量子讲探测累 0.14THz和0.34TIHz酒信系统[将4)，由子利节 QWP)开展了在4.1TH上音频、文件和视频通 大学的0.11TH2通信系统.中科觉微系统与信良 信实验，实现了1Mb/s传输速率，传输距离为2.2 技术研究所的 .13 THz通信系统。另外，天 m,传输带宽为580kHz。2012年，太林兹数字通 津大学和南开大学利用液品填充的光子品体，研 信演示系统采用OOK调制和直接强度检测方式， 制了磁控太赫兹频段的滤波和调制器件。 通信颜点为3 9THz,通信 2.2m,传输进 4,1中国工程物理研究院太赫兹高速无线通信 率为1Mb/s[4 技术研究进展 4.3电子科技大学太赫兹通信技术研究进展 2010年，研制了0.14THz,16QAM,10Gb/ 2009年，电子科技大堂研制出工作段为110 传输速率的高速太炼兹通信系统。2011年，进行 GHz,通信速率5Gb/s的太赫兹高速无线通信系 了15km无线通信实验。实验表明，当传输速率 统，并进行了100m传输实验。同时研制出0.2 为2Gb/,采用实时解调，误码率为1X10,当 THz通信系统，传输距离5m,传输速率为3.5 输速率为10Gb/s,采用软件解调，误码率优于1 Gb/s。研制了0.34THz发射机，其输出功率为 10-6。该系统采用“16QAM正交幅相调制+次 mW,线宽30GHz,研制了330GHz基于空间直接 谐波混频十多级放大”的太赫蕊高速无线通信技 调制技术的太赫兹无线通信系统，实现了图片等 术，中频进行16QAM高阶数字信号调制解调，用 文件的无线传输，通信速率为500kb/s。另外，在 肖特基二极管次谐波混频技术实现从中频到太赫 0.1THz一1THz频率范围内的大调制深度.太赫 兹信号的频谱迁移，其实现技术路径为基于固态 兹调制技术研究取得了突破，研究出调制速率为 背特基二极管研制倍频源和混频器，采用MEMS MH2、调制深度50%以上、工作频带0.2THz一2 技术研制的滤波器，利用并行结构的高速信号处 THz的基于石墨烯和半导体硅复合结构的新型全 理技术实现调制解调等0.2012年，中国工程 光学太赫兹调制器「的。 物理研究院研制了0.34THz、16QAM、3Gb/s实 时解调通信系统，完成了50m无线传输实验。当 6 太赫兹甬信存在的主要技术问间颗 传输速率为3Gh/s时，误码率优于1×10-6利 太赫兹通信技术目前还处在高性能核心器件 用该系统还进行了基于EE :802.11的wLA 的研究开发及通信系统实验室演示阶段，急需在 通信实验。2017年，中物院微太中心实现了距离 THz源、探测及调制技术和测试校准技术方面开 21km,单路实时速率5Gb/s,频率0.14T1Hz的 展研究。需要研究解决的主要技术包括： 远距离高速无线传输实验，传输了两路HD上SDI无 1)太林燕辐射功率拉低，很谁达到通信对截 压缩高清音视频数据流，每 有效速率高达 波功率的要求，缺少室温连续工作的高功率太赫 1.485Gb/s,该系统采用折叠波导行波管放大 兹源。因而，需要研究太赫兹频段载波信号放大 10042018h cademie Jour al Electronic Publishing House.All rights reserved. hup ww.cnki.ne
应用光学 ２０１８，３９（１） 杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 接调制太赫兹量子级联激光器在 ２．８Ｔ Ｈｚ实现 Ｇｂ／ｓ传输速率，但是量子级联激光器需要在超低 温下工作，限制了技术的实际应用。 ２０１０ 年，意大利、法国和俄国的 Ｆ．Ｐａｌｍａ，Ｆ． Ｔｅｐｐｅ和 Ｙ．Ｖａｃｈｏｎｔｉｎ等人，研制了以 ＴＨｚＱＣＬ 作为发射源，以 ＨＥＢ作为探测器的太赫兹通信系 统，调制速率在 ＭＨｚ量级。 ４ 太赫兹通信技术国内发展现状 国内“十一五”期间，中国工程物理研究院、电 子科技大学、中科院上海微系统与信息技术研究 所等单位进行了太赫兹通信关键技术和功能器件 的研究并取得了一定的成果。国内太赫兹通信主 要有：中 国 工 程 物 理 研 究 院 电 子 工 程 研 究 所 的 ０．１４ＴＨｚ和０．３４ＴＨｚ通信系统［４０－４１］，电子科技 大学的０．１１ＴＨｚ通信系统，中科院微系统与信息 技术研究所的４．１３ＴＨｚ通信系统［４２］。另外，天 津大学和南开大学利用液晶填充的光子晶体，研 制了磁控太赫兹频段的滤波和调制器件。 ４．１ 中国工程物理研究院太赫兹高速无线通信 技术研究进展 ２０１０年，研制了０．１４ＴＨｚ、１６ＱＡＭ、１０Ｇｂ／ｓ 传输速率的高速太赫兹通信系统。２０１１ 年，进行 了１．５ｋｍ 无线通信实验。实验表明：当传输速率 为２Ｇｂ／ｓ，采用实时解调，误码率为１×１０－７；当传 输速率为１０Ｇｂ／ｓ，采用软件解调，误码率优于１× １０－６。该系统采用“１６ＱＡＭ 正交幅相调制 ＋ 次 谐波混频＋多级放大”的太赫兹高速无线通信技 术，中频进行１６ＱＡＭ 高阶数字信号调制解调，用 肖特基二极管次谐波混频技术实现从中频到太赫 兹信号的频谱迁移，其实现技术路径为基于固态 肖特基二极管研制倍频源和混频器，采用 ＭＥＭＳ 技术研制的滤波器，利用并行结构的高速信号处 理技术实现调制解调等［４３－４４］。２０１２ 年，中国工程 物理研究院研制了０．３４ＴＨｚ、１６ＱＡＭ、３Ｇｂ／ｓ实 时解调通信系统，完成了５０ｍ 无线传输实验。当 传输速率为３Ｇｂ／ｓ时，误码率优于１×１０－６。利 用该系统还进行了基于ＩＥＥＥ８０２．１１ 的 ＷＬＡＮ 通信实验。２０１７年，中物院微太中心实现了距离 ２１ｋｍ，单路实时速率５Ｇｂ／ｓ，频率０．１４ＴＨｚ的 远距离高速无线传输实验，传输了两路 ＨＤ－ＳＤＩ无 压缩高 清 音 视 频 数 据 流，每 一 路 有 效 速 率 高 达 １．４８５Ｇｂ／ｓ。该系 统 采 用 折 叠 波 导 行 波 管 放 大 器，发射功率在瓦量级的太赫兹信号，实现了增益 ２５．３ｄＢ，等 效 全 向 辐 射 功 率 （ＥＩＲＰ）达 到 了 ７６ｄＢｍ。 目前中国工程物理 研究院 正 在 开 展 ０．１４ ＴＨｚ～０．３４ＴＨｚ 的 ＴＭＩＣ 芯 片 技 术 研 究、几 十 Ｇｂ／ｓ的超高速太赫兹调制解调技术研究、固态功 率合成和折叠波导行波管放大器研究，以获得全 固态 大 功 率 太 赫 兹 辐 射 源，实 现 更 远 传 输 距离［４５－４６］。 ４．２ 中科院上海微系统所 ＱＣＬ太赫兹通信技术 研究进展 中科院上海微系统所实现了３．９ＴＨｚ和４．１ ＴＨｚ频点上的音频通信。２０１０年，基于太赫兹量 子级 联 激 光 器 （ＱＣＬ）和 太 赫 兹 量 子 阱 探 测 器 （ＱＷＰ）开展了在４．１ＴＨｚ上音频、文件和视频通 信实验，实现了１Ｍｂ／ｓ传输速率，传输距离为２．２ ｍ，传输带宽为５８０ｋＨｚ。２０１２年，太赫兹数字通 信演示系统采用 ＯＯＫ 调制和直接强度检测方式， 通信频点为３．９ＴＨｚ，通信距离为２．２ｍ，传输速 率为１Ｍｂ／ｓ［４７－４８］。 ４．３ 电子科技大学太赫兹通信技术研究进展 ２００９年，电子科技大学研制出工作频段为１１０ ＧＨｚ，通信速率５Ｇｂ／ｓ的太赫兹高速无线通信系 统，并进行了１００ｍ 传输实验。同时研制出０．２２ ＴＨｚ通 信 系 统，传 输 距 离 ５ ｍ，传 输 速 率 为 ３．５ Ｇｂ／ｓ。研制了０．３４ＴＨｚ发射机，其输出功率为１ ｍＷ，线宽３０ＧＨｚ，研制了３３０ＧＨｚ基于空间直接 调制技术的太赫兹无线通信系统，实现了图片等 文件的无线传输，通信速率为５００ｋｂ／ｓ。另外，在 ０．１ＴＨｚ～１ＴＨｚ频率范围内的大调制深度，太赫 兹调制技术研究取得了突破，研究出调制速率为１ ＭＨｚ、调制深度５０％以上、工作频带０．２ＴＨｚ～２ ＴＨｚ的基于石墨烯和半导体硅复合结构的新型全 光学太赫兹调制器［４９－５０］。 ５ 太赫兹通信存在的主要技术问题 太赫兹通信技术目前还处在高性能核心器件 的研究开发及通信系统实验室演示阶段，急需在 ＴＨｚ源、探测及调制技术和测试校准技术方面开 展研究。需要研究解决的主要技术包括： １）太赫兹辐射功率较低，很难达到通信对载 波功率的要求，缺少室温连续工作的高功率太赫 兹源。因而，需要研究太赫兹频段载波信号放大 ·１７·
18 应用光学2018,39(1)杨湾儒，等：太赫兹被通信技术研究进层 技术，研制新刑全固态室温大功率太林滋源，解决 方向是：品)太抹兹源、太林滋接收机、调制解调等 目前太赫兹源输出功奉低和能量转换效低等 核心器件研制：b)开展外部调制通信系统、全周态 问题。 通信系统和微波光子学通信系统研制。 2)太赫兹接收系统灵敏度较低，需研制室据 6.2太抹装通信军事应用 工作的高灵敏度太赫兹探测器，研究高速高灵敏 太赫兹通信在军电须域应用前是广阔，相出 度抗干扰的接收技术以及高增益的收发天线 于微波和光通信，在远距离卫星空间通信、大容 采用相干探测方式，对接收端灵敏度要求较低，但 近距离军事保密通信、高传输速率的无线安全接 是目前缺少具有良好相干性、嫩率稳定性的信号 入网终等方面均有广圈的应用前景 源与本振源，以及高速率的太赫兹外调制器与混 1)太赫兹空间通信 频器 太赫兹空间通信兼具激光通信和微波通信的 3)攻克高码率调制解调技术，研制高性能的 优点。太赫兹通信相对光通信波束更宽，接收消 调制器、滤波器、波导等太赫兹调制解调器件，进 容易对准，量子燥声较低：与微波波段相比，天线 行复杂体制的直接高速调制。同时研究宽带复 系统可以实现小刑化、平面化。因此，太赫兹通信 杂调制波形我波技术，实现复杂环境下信道 更适合卫显空间通信，可用于构建卫显之间、显地 传输。 之间及局域网的宽带移动高速信息网铬。国际电 4》研究太赫兹通信的新体制和新的信号处理 线联四已为下一步卫员通信面留了200GH2的频 方法。从技术实现来说，日前光子学和电子学两 段，随着卫星通信的进一步发展，必将进入300 种途径均在不断向前发展，目前的光电结合只是 GHz以 上太赫兹通信范围 在发射机和接收机的不同环节分别采用光子学和 2)超高速飞行器通信 电子学实现，急需研究新休制太赫兹通信。 对于高速飞行的临近空间飞行器及重返大 5)太转兹通信系统性能指标及参数的测试评 估和计量技术手段尚缺乏，急需开展这方面的 研究，为太赫兹额段通信系统参数量值准确可 言区，造成无线电遥测信号迅速衰减和中断，太材 提供技术支撑。 兹波通信是唯一可穿透等高子体的通信工具。 3)大容量近距离军事保密通信 6 太赫兹通信技术发展趋势与应用 大容量近距离军事保密通信可采用太赫兹 6.1太赫兹通信技术发展趋势 信技术。高频段的太赫蕊波在空中传播时极易被 1》酒信速率拔来越高 水分吸收，信号衰减严重，传输距离短：且比微波 日前日本和德国太赫兹通信系统传输速高 波束更窄，带宽宽，具有更强的抗干扰能力，可实 达100Gb/s,但只能在近距离实现高速率通信，在 现(2一5)km内的战场短距离定向保密通信，具备 距离较远时，接收端信堡比不到高速率通信要 大容量通信优势。太赫兹通信可应用在GHz带宽 求。因此，高速率、低信噪比的微弱信号探测与解 扩调频通信、战术级区域保密通信与组网、航空编 调接收系统的研制是技术难点 2)从元器件集成发展到系统集成，元器件向 4)高传输速率的无线安全接人网络 更高频率、更高功率等方向发展， 目前对室内宽带高速无线通信系统有着持续 3)应用向短距离高辣太赫兹保密无线通信和 增长的需求，地面点对点高速蓝牙传给，地面超高 空间太赫兹高速无线通信方向发展 速组网（无线接入、无线下载、无线互联等），通信 4)通过将电子学，光子学与量子理论结合，研 速率要求很高（从1Gb/s到几百Gb/s)。太赫 究太赫兹产生、湖控、检测的新技术」 波具有10Gb/s以上的通信速率，可用于高传输速 目前国内外太赫慈通信研究热点主要集中于 率的无线安全接入，未来很有可能代替目前的蓝 赫兹波发射源技术、太赫兹传输控制和调制方式 ,目前，国际移动通信从4G进入 太赫兹信号的探测接收技术等方面。太赫兹通信 5G时代，而在290GHz一315GHz的太赫兹通 向高速无线通信、多样化和实用化方向发展，发展 信已经实现了105Gb/s的信号传输 994-2018 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. //www.cnki.ne
应用光学 ２０１８，３９（１） 杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 技术，研制新型全固态室温大功率太赫兹源，解决 目前太赫 兹 源 输 出 功 率 低 和 能 量 转 换 效 率 低 等 问题。 ２）太赫兹接收系统灵敏度较低，需研制室温 工作的高灵敏度太赫兹探测器，研究高速高灵敏 度抗干扰的接收技术以及高增益的收发天线。如 采用相干探测方式，对接收端灵敏度要求较低，但 是目前缺少具有良好相干性、频率稳定性的信号 源与本振源，以及高速率的太赫兹外调制器与混 频器。 ３）攻克高码率调制解调技术，研制高性能的 调制器、滤波器、波导等太赫兹调制解调器件，进 行复杂体 制 的 直 接 高 速 调 制。同 时 研 究 宽 带 复 杂调 制 波 形 载 波 技 术，实 现 复 杂 环 境 下 信 道 传输。 ４）研究太赫兹通信的新体制和新的信号处理 方法。从技术实现来说，目前光子学和电子学两 种途径均在不断向前发展，目前的光电结合只是 在发射机和接收机的不同环节分别采用光子学和 电子学实现，急需研究新体制太赫兹通信。 ５）太赫兹通信系统性能指标及参数的测试评 估和计量技术手段尚缺乏［５１］，急需开展这方面的 研究，为太赫兹频段通信系统参数量值准确可靠 提供技术支撑。 ６ 太赫兹通信技术发展趋势与应用 ６．１ 太赫兹通信技术发展趋势 １）通信速率越来越高 目前日本和德国太赫兹通信系统传输速率高 达１００Ｇｂ／ｓ，但只能在近距离实现高速率通信，在 距离较远时，接收端信噪比达不到高速率通信要 求。因此，高速率、低信噪比的微弱信号探测与解 调接收系统的研制是技术难点。 ２）从元器件集成发展到系统集成，元器件向 更高频率、更高功率等方向发展。 ３）应用向短距离高速太赫兹保密无线通信和 空间太赫兹高速无线通信方向发展； ４）通过将电子学、光子学与量子理论结合，研 究太赫兹产生、调控、检测的新技术。 目前国内外太赫兹通信研究热点主要集中于 赫兹波发射源技术、太赫兹传输控制和调制方式、 太赫兹信号的探测接收技术等方面。太赫兹通信 向高速无线通信、多样化和实用化方向发展，发展 方向是：ａ）太赫兹源、太赫兹接收机、调制解调等 核心器件研制；ｂ）开展外部调制通信系统、全固态 通信系统和微波光子学通信系统研制。 ６．２ 太赫兹通信军事应用 太赫兹通信在军事领域应用前景广阔，相比 于微波和光通信，在远距离卫星空间通信、大容量 近距离军事保密通信、高传输速率的无线安全接 入网络等方面均有广阔的应用前景。 １）太赫兹空间通信 太赫兹空间通信兼具激光通信和微波通信的 优点。太赫兹通信相对光通信波束更宽，接收端 容易对准，量子噪声较低；与微波波段相比，天线 系统可以实现小型化、平面化。因此，太赫兹通信 更适合卫星空间通信，可用于构建卫星之间、星地 之间及局域网的宽带移动高速信息网络。国际电 线联盟已为下一步卫星通信预留了２００ＧＨｚ的频 段，随着 卫 星 通 信 的 进 一 步 发 展，必 将 进 入 ３００ ＧＨｚ以上太赫兹通信范围。 ２）超高速飞行器通信 对于高速飞行的临近空间飞行器及重返大气 层的飞行器（如导弹、飞船等），飞行器周围都会产 生频率为几十 ＧＨｚ的等离子体，形成“黑障”通信 盲区，造成无线电遥测信号迅速衰减和中断，太赫 兹波通信是唯一可穿透等离子体的通信工具。 ３）大容量近距离军事保密通信 大容量近距离军事保密通信可采用太赫兹通 信技术。高频段的太赫兹波在空中传播时极易被 水分吸收，信号衰减严重，传输距离短；且比微波 波束更窄，带宽宽，具有更强的抗干扰能力，可实 现（２～５）ｋｍ 内的战场短距离定向保密通信，具备 大容量通信优势。太赫兹通信可应用在 ＧＨｚ带宽 扩调频通信、战术级区域保密通信与组网、航空编 队通信等。 ４）高传输速率的无线安全接入网络 目前对室内宽带高速无线通信系统有着持续 增长的需求，地面点对点高速蓝牙传输、地面超高 速组网（无线接入、无线下载、无线互联等），通信 速率要求很高（从１Ｇｂ／ｓ到几百 Ｇｂ／ｓ）。太赫兹 波具有１０Ｇｂ／ｓ以上的通信速率，可用于高传输速 率的无线安全接入，未来很有可能代替目前的蓝 牙和无线局域网。目前，国际移动通信从４Ｇ 进入 了５Ｇ 时代，而在２９０ＧＨｚ～３１５ＧＨｚ的太赫兹通 信已经实现了１０５Ｇｂ／ｓ的信号传输。 ·１８·
应用光学2018,39(1)杨鸿儒，等：太赫袭波通信技术研究进展 .19 参考文献： mobility ttansistorsl11 IEEE Transaetions on tera 1]LEE Y S.Princinles of terahertz science and technol hertz Science and Technolouv.2011.1(1).25-32 gy[M]Germany,Springer.2010. [13]WANG Yuwen.DONG Zhiwei.Atmospheric attenu [2]LEWIS R A.Tersbe physics[M].UK Cambridge tion characteristics of terahertz pulse propagationt n 2013 lournal of terahertz science and elee [a].Hi.YU in.et al Progress of te ,2015.13(2).20-214. hertz com and space applicatio 王玉文，董专伟，太赫脉冲大气传输减特性[门 Electronic Technology.013.4 大裤科学与电子信包学报，201513(2：20g。 (40:56-60 [14 HANG Jin.DENG WANG Cheng,et 李欣，徐辉，再旭敏，等，太赫兹通信技术研究进层及 Terahertz high speed wireless communica 空间应用展望[J].空间电子技术，2013,4(4) techniques and de onstrations [J].Journal o 56-60 Science and Electronic Information Tech [ZHAO Guozhong.Application of terahertz technology nology.2014.12(1):1-13. in military and security field Journal of Electroni 张健，邓贤进，王成，等。太赫兹高速无线通信：体制 Measurement and Instrumentation.2015.29 (8) 技术与验证系统[门.太赫兹科学与电子信息学报， 1097-1101. 2014.12(1):1-13. 赵国忠，太赫兹技术在军事和安全领域的应用[门，电 [15]YANG Wenwen.LIU Wenpeng.The research pro 子测量与仅器学报.2015.29(8)：1097-1101. gresses of terahertz communications [J].Journal of [5]AKIHIKO H.KOSUGI T.HIROYUKI T.et al.120 Beiiing Union Universitx.2015.29(4):19-28 GHz-band millimete -waye photanic wireless link for 10 杨文文，刘文朋.太林兹通信研究进展[门.北京联合 Gb/s date transmission IEEE Tra 大学学报，2015,29(4)，1928. ,2006.54(5) 16]HE modulatio 94 [6] TOKUMITSU M.ENOKI T.et al 120 2014.35(2l 21 GHz Tx/Rx chipset for 10-Gbit/s wireless applic ,太林兹波通信系统中调制技 .首 tion using 0.1-um-gate InP HEMTs[C].New York 都师范大学 :自然科学脱 ,2014.35(2):154 IEEE.2004. [17]SUN Yu,ZHAN Yafeng.Discussion of modulation [7]RYOICHI Y.AKIHIKO H.TOSHIHIKO K.et al. mode for ultra high-speed terahertz communicatio 10-Gbit/s MMIC wireless link exceeding 800 meters system [J].Modern Eleetronies Technique,2015.38 [C].New York:IEEE.2008. (9):1-8 [8]NAOYA K.YUICHI K.Overview of millimeter and 孙禹，詹亚锋，超高速太赫兹通信系统中调制方式的 terahertz wave application researchn.NTT Techng 探讨[门.现代电子技术.2015.38(9)：1-8. al review.2009,7(3).1-6. [18]KLEINE-OSTMANN T.DAWSON P.PIERZ K.e 9] CHATTOPADHYAY G.Technology.capabilities al.Room-temperature operation of an electrically and performance of low po wer terahertz sourresf n driven terahertz modulator [J].Appl.Phys.Lett. 2004.84(5).35553557 oogy.2011.11).33-53. [19]JORNET」M.PUJOL JC.PARETA】S.PHLAME:A SONG Lin.Feasibilityd nt analysis of physical MAC protoo for tworks in the Comr 2015363).17-2 tion Networks.2012.3(1):74-8l. 言可行性及需求分析[小.大连大 [20 HIRATA A.KOSUGI T.TAKAHASHI H.et al. 120 GHz-band millime wireless lin or 10-Gb/s data transmission[J].IEEE I rans.or GaN heterodimensional Schottky diode for THz de Microwave Theory and Techniques.2006.54 (5) tection[C].New York:IEEE.2006. 1937-1944. [12]DEAL W.MEI X B.LEONG K M K H.et al.THz [21]SONG H J.AJITO K.MURAMOTO Y.et al.24 monolithie integrated cireuits using InP high electron Gbit/s data Iransmission in 300 GHz band for future 10042018h al Electronic Publishing House.All rights reserved hup www.cnki.ne
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应用光学 ２０１８，３９（１） 杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 ｔｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， ２０１２，４８（１５）：９５３－９５４． ［２２］ＭＯＥＬＬＥＲＬ，ＦＥＤＥＲＩＣＩＪ，ＳＵＫ．２．５Ｇｂｉｔ／ｓｄｕｏｂｉ－ ｎａｒｙｓｉｇｎａｌｉｎｇ ｗｉｔｈｎａｒｒｏｗ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ０．６２５ｔｅｒａ－ ｈｅｒｔｚｓｏｕｒｃｅ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ，２０１１，４７（１５）： ８５６－８５８． ［２３］ＡＫＩＨＩＫＯ Ｈ，ＴＯＳＨＩＨＩＫＯＫ，ＨＩＲＯＹＵＫＩＴ，ｅｔａｌ． １２０－ＧＨｚ－ｂａｎｄｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－ｗａｖｅｐｈｏｔｏｎｉｃｗｉｒｅｌｅｓｓｌｉｎｋ ｆｏｒ１０－Ｇｂ／ｓｄａｔａｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００６５４（０５）： １９３７－１９４４． ［２４］ＫＯＳＵＧＩＴ，ＴＯＫＵＭＩＴＳＵ Ｍ，ＥＮＯＫＩＴ，ｅｔａｌ．１２０ ＧＨｚＴｘ／Ｒｘｃｈｉｐｓｅｒｆｏｒ１０－Ｇｂ／ｓｗｉｒｅｌｅｓｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ０．１－ｕｍ－ｇａｔｅＩｎＰ ＨＥＭＴｓ［Ｃ］．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ： ＩＥＥＥ，２００６． ［２５］ＲＹＯＩＣＨＩＹ，ＡＫＩＨＩＫＯ Ｈ，ＴｏｓｈｉｈｉｋｏＫ，ｅｔａｌ．１０－ Ｇｂ／ｓＭＭＩＣ ｗｉｒｅｌｅｓｓｌｉｎｋｅｘｃｅｅｄｉｎｇ８００ ｍｅｔｅｒｓ，ｒａ－ ｄｉｏａｎｄｗｉｒｅｌｅｓｓｓｙｍｐｏｓｉｕｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ，２００８，６（８）： ６９５－６９８． ［２６］ＡＫＩＨＩＫＯ Ｈ，ＴＯＳＨＩＨＩＫＯ Ｋ，ＮＩＣＨＯＬＡＳ Ｍ，ｅｔａｌ． Ｈｉｇｈ－ｄｉｒｅｃｔｉｖｉｔｙｐｈｏｔｏｎｉｃｅｍｉｔｔｅｒｕｓｉｎｇｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅｍｏｄ－ ｕｌｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗｉｔｈＨＥＭＴａｍｐｌｉｆｉｅｒｆｏｒ１０－Ｇｂ／ｓｗｉｒｅ－ ｌｅｓｓｌｉｎｋ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｃａｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，５２（８）：１８４３－１８５０． ［２７］ ＮＡＫＡＪＩＭＡ Ｆ，ＦＵＲＵＴＡ Ｔ，ＩＴＯ Ｈ．Ｈｉｇｈｐｏｗｅｒ ｔｅｒａｈｅｒｔｚｗａｖｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｕｓｉｎｇａｒｅｓｏｎａｎｔａｎｔｅｎｎａ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｕｎｉ－ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ－ｃａｒｒｉｅｒｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ［Ｊ］．Ｎｉｐ－ ｐｏｎＴｅｌｅｇｒａｐｈａｎｄＴｅｌｅｐｈｏｎｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，２００６，４０ （２０）：１２９７－１２９８． ［２８］ＬＡＳＫＩＮ Ｅ，ＣＨＥＶＡＬＩＥ Ｐ，ＣＨＡＮＴＲＥ Ａ，ｅｔａｌ． １６５－ＧＨｚｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｉｎＳｉＧｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｏｌｉｄ－Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，２００８，４３ （５）： １０８７－１１００． ［２９］ＬＡＳＫＩＮ Ｅ，ＴＡＮＧ Ｋ Ｗ，ＹＡＵ Ｋ Ｈ Ｋ，ｅｔａｌ．１７０－ ＧＨｚｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒｗｉｔｈｏｎ－ｃｈｉｐａｎｔｅｎｎａｓｉｎＳｉＧｅｔｅｃｈ－ ｎｏｌｏｇｙ［Ｃ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩＥＥＥ，２００８． ［３０］ＯＳＴＭＡＮＮ Ｔ Ｋ，ＰＩＥＲＺ Ｋ，ＨＥＩＮ Ｇ，ｅｔａｌ．Ａｕｄｉｏ ｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｖｅｒＴＨｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｃｈａｎｎｅｌ ｕｓｉｎｇｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｍｏｄｕｌａｔｏｒ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔ－ ｔｅｒｓ，２００４，４０（２）：１２４－１２６． ［３１］ＭＡＲＫＪ，ＳＴＥＰＨＥＮＳ．Ａｇｌｏｂａｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒｒｏｂｕｓｔａｆｆｉｎｅｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ ｏｆｂｒａｉｎｉｍａｇｅｓ［Ｊ］． ＭｅｄｉｃａｌＩｍａｇｅＡｎａｌｙｓｉｓ，２００１，５（２）：１４３－１５６． ［３２］ＪＡＳＴＲＯＷ Ｃ，ＭＵＮＴＥＲ Ｋ，ＰＩＥＳＩＥＷＩＣＺＲ，ｅｔａｌ． ３００ＧＨｚｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔ－ ｔｅｒｓ，２００８，４４（３）：２１３－２１５． ［３３］ＩＢＲＡＨＥＥＭ Ａ ，ＮＯＲＭＡＮＫｒｕｍｂｈｏｌｚ，ＤＡＮＩＥＬ Ｍｉｔ－ ｔｌｅｍａｎ，ｅｔａｌ．Ｌｏｗ－ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓｆｏｒｆｕ－ ｔｕｒｅｗｉｒｅｌｅｓｓＴｅｒａｈｅｒｔｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ， ２００８，１２（９）：９３０－９３１． ［３４］ＫＡＬＬＦＡＳＳＩ，ＡＮＴＥＳＪ，ＳＣＨＮＥＩＤＥＲ Ｔ，ｅｔａｌ．Ａｌｌ ａｃｔｉｖｅ ＭＭＩＣ－ｂａｓｅｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎａｔ２２０ ＧＨｚ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，１（２）：４７７－４８７． ［３５］ＫＯＥＩＮＧＳ，ＬＯＰＥＺ－ＤＩＡＺＤ，ＡｎｔｅｓＪ，ｅｔａｌ．Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｕｂ－ＴＨｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈｈｉｇｈｄａｔａｒａｔｅ ［Ｊ］．ＮａｔｕｒｅＰｈｏｔｏｎｉｃｓ，２０１３，７（１２）：９７７－９８１． ［３６］ＰＩＥＳＩＥＷＩＣＡ Ｒ，ＪＡＮＳＥＮ Ｃ，ＭＩＴＴＬＥＭＡＮ Ｄ，ｅｔａｌ． ＳｃａｔｔｅｒｉｎｇａｎａｌｙｓｉｓｆｏｒｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆＴＨｚｃｏｍｍｕｎｉｃａ－ ｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＡｎｔｅｎｎａｓａｎｄＰｒｏｐａｇａ－ ｔｉｏｎ，２００７，５５（１１）：３００２－３００９． ［３７］ＴＨＯＭＡＳ Ｋ，ＲＡＤＯＳＬＡＷ Ｐ，ＭＡＲＴＩＮ Ｋ，ｅｔａｌ． Ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌｓ，ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ ｆｏｒｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｂｅｙｏｎｄ１００ＧＨｚ ［Ｃ］．ＮｅｗＹｏｒｋ：ＩＥＥＥ，２００７． ［３８］ＲＡＤＯＳＬＡＷ Ｐ，ＭＡＲＴＩＮＪ，ＪＯＥＲＧＳ，ｅｔａｌ．Ｉｎｆｌｕ－ ｅｎｃｅｏｆｈａｒｄｗａｒｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｎｔｈｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆ ｆｕｔｕｒｅｉｎｄｏｏｒＴＨｚｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓｕｎｄｅｒｒｅ－ ａｌｉｓｔｉｃｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ［Ｊ］．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＣｏｎｆｅｒ－ ｅｎｃｅ，２００７，９（１２）：１６０６－１６０９． ［３９］ＪＡＳＴＲＯＷ Ｃ，ＭＵＮＴＥＲ Ｋ，ＰＩＥＳＩＥＷＩＣＺ Ｒ，３００ ＧＨｚｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ， ２００８，４４（３）：２１３－２１４． ［４０］ＷＡＮＧＣｈｅｎｇ，ＬＩＮＣｈａｎｇｘｉｎｇ，ＤＥＮＧＸｉａｎｊｉｎ，ｅｔａｌ． １４０ＧＨｚｄａｔａｒａｔｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｔｅｃｈｎｏｌｏ－ ｇｙｒｅｓｅａｒｃｈ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ Ｔｅｒａｈｅｒｔｚ Ｓｃｉｅｎｃｅａｎｄ ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１１，９ （３）： ２６３－２６７． ［４１］ＷＡＮＧＣｈｅｎｇ，ＬＵＢｉｎ，ＭＩＡＯＬｉ，ｅｔａｌ．０．３４ＴＨｚＴ／ Ｒｆｒｏｎｔ－ｅｎｄｆｏｒ ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｌａｓｅｒ ａｎｄ Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｂｅａｍｓ，２０１３，２５ （６）： １５３０－１５３４． 王成，陆彬，缪丽，等．０．３４ＴＨｚ无线通信收发端［Ｊ］． 强激光与粒子束，２０１３，２５（６）：１５３０－１５３４． ［４２］ＴＡＮ Ｚｈｉｙｏｎｇ，ＣＨＥＮ Ｚｈｅｎ，ＨＡＮ Ｙｉｎｇｊｕｎ．Ｅｘｐｅｒｉ－ ｍｅｎｔａｌｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｏｆｗｉｒｅｌｅｓｓｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｂａｓｅｄｏｎ ｔｅｒａｈｅｒｔｚｑｕａｎｔｕｍｃａｓｃａｄｅｌａｓｅｒ ［Ｊ］．Ａｃｔａ Ｐｈｙｓｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２０１２，６１（９）：９８７０１－０９８７０１． 谭志勇，陈镇，韩英军．基于太赫兹量子级联激光器 的无线信号传输的实现［Ｊ］．物理学报，２０１２，６１（９）： ９８７０１－０９８７０１． ［４３］ＷＡＮＧＣｈｅｎｇ，ＬＩＮＣｈａｎｇｘｉｎｇ，ＣＨＥＮＱｉ，ｅｔａｌ．Ａ１０ Ｇｂｉｔ／ｓ ｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｌｉｎｋ ｕｓｉｎｇ １６ＱＡＭ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉｎ１４０ＧＨｚｂａｎｄ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ·２０·
应用光学2018.39(1)杨鸿儒，等：太赫兹波通信技术研究进展 ·21 on Microwave Theory and Techniques,2013.61(7): 2013.42(10).2796-2799 2737-2746. [48]GU Li.TAN Zhiyong.Terahertz communication tech- [44]WANG Cheng.LU Bin.LIN Changxing.et al.0.34 noloay11.Physics.2013.42(10).695-707. THz wireless link based on high order modulation for 顾立，源智明。太林燕通信技术研究讲展「」门，物理 future wireless local area network].IEEE Transac 2013.42(10):695-707. tions on Terahertz Science and Technology.2014. 4]LIU Haitao.Research and design of teraherz wire 41),75-85. 45]LIN Changxing.LU Bin.WANG Cheng.et al.34 n sys 刘海 赫无线通信系统研究与设计[D].成都 tem based. [50]C Lei.GUAN Xiaotong.Design and [46]WANG Cheng.LIU Jie.0.14 THz 10 Gb/s wireles em []Vacuum Electro c,2013(6):96-98 communication system[]].Mation and Electronie En 曹磊，关晓通.220GHx短程无线通信系统的设计与 2 ineering,2011,9(3):265-269. 搭建[J门.真空电子技术，2013(6)：96-98. 王成，刘杰，吴尚胸，邓贤进.0.14THx10Gb/s无线 [51]YU Dongyu.YANG Hongru.LI Hongguang.Analy 通信系统[J门.信息与电子工程，2011,9(3)：265-269. sis and processing of noise in weak terahertz signal [47]CHEN Zhen.TAN Zhiyong.WANG Chang.et al. detection system []Journal of Applied Optics. Digital communication link based on THz OCl and 2012,33(6):110-1104. THz QWP [J].Infrared and Laser Engineering 于东钰，杨鸿儒，李宏光太赫兹微弱信号检测系统 2013.42(10).279G2799. 噪声处理方法研究[J门.应用光学，2012,33(6)： 陈镇，谭智勇，王长，等.基于THz QCL和THz 1101-1104. QWP的数字通信演示系统[J门.红外与激光工程 1994-2018 China Academie Joumal Electronie Publishing House.All rights reserved.http://www.cnki.net
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