發展中國太赫茲高速通信技術與應用的思考（二）

2015 年，加利福尼亞大學設計了一個非相干的140 GHz 收發器和一個采用65 nm 互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術的太赫茲發生器，集成了數據速率為2.5 Gbit/s 的太赫茲通信系統^[11]。同年，加州大學伯克利分校采用65 nm CMOS 技術設計了一個240 GHz 的收發系統，實現了10 Gbit/s的數據速率，其最大數據傳輸速率可達16 Gbit/s ^[12]。

2015 年，圣何塞州立大學采用了40 nm CMOS 的技術集成了210 GHzOOK 調制方式的無線通信系統，該系統能夠實現了無差錯的偽隨機數據在1 cm 范圍內的傳輸，傳輸速率為10.7 Gbit/s ^[13]。2016 年，德國伍珀塔爾大學提出了一種工作在240 GHz 的、全集成式直接轉換正交發射機和接收機芯片組，該芯片組采用0.13 μm SiGe 雙極CMOS 工藝，最高通信速率可達到2.73 Gbit/s^[14]。

目前，該方式太赫茲通信系統具有體積小、易集成、功耗低的特點，不足之處在于本振源經過多次倍頻后相噪惡化，且變頻損耗大，載波信號的輸出功率在微瓦級，因此該類系統需要進一步發展高增益寬頻帶功率放大器以提高發射功率。

基于直接調制方式的太赫茲通信系統是近年來隨著太赫茲調制器速率突破衍生發展的新一類通信系統^[15-18]。這種通信方案的核心關鍵技術為高速調制器，需要實現太赫茲波幅度或相位德直接調制，其優勢在于易于集成、體積小、靈活性大，可隨意選擇載波頻率、太赫茲源功率，是可搭配中高功率太赫茲源實現10 mW以上功率輸出的通信系統，可實現中遠距離無線通信；不足之處在于目前太赫茲直接調制器還在研究中，還未突破10 Gbit/s 以上的太赫茲直接調制器。目前中國的電子科技大學已經掌握了該技術的核心方案，在國際上首次突破1 Gbit/s 的太赫茲直接調制器。

4 中國太赫茲通信技術發展現狀

中國政府各級部門十分重視太赫茲科學技術的發展，多個部委設立了太赫茲的相關研究計劃。在國家的支持下，通過10 余年的發展，中國已經形成了一支以高校、科研院所為主體的太赫茲技術創新研發隊伍。在太赫茲通信技術的方向上，電子科技大學等多家單位取得了較為突出的成果。

2015—2016 年間，電子科技大學研制出了中國首套地面實時傳輸裸眼3D 業務的太赫茲通信系統，該系統工作頻率為0.22 THz，并基于QPSK直接調制解調的方式，調制解調器采用0.22 THz 分諧波混頻器，基帶信號由碼型發生器產生，經混頻器中頻端口饋入，調制到0.22 THz 載波頻率后通過喇叭天線發射，已調信號經接收端混頻器相干解調后送至誤碼分析儀進行誤碼分析。該系統可以實現10 Gbit/s 實時高速數據通信，有較好的誤碼性能^[19]，平均誤碼率小于10^-6 。該系統目前采用相干接收技術和大口徑天線已實現了0.2 km 距離傳輸，為高速中遠距離無線通信打下了重要基礎。

2016 年，電子科技大學率先在國際上研制出了首套直接調制方式的太赫茲通信系統，并實現了千米級高清視頻傳輸。該系統采用外部高速調制器直接對空間傳輸太赫茲信號進行調制，這種調制方式較現有的太赫茲通信方式，具有可靈活搭配中高功率太赫茲輻射源實現遠距離通信的優點，有效突破了目前太赫茲通信系統中承載發射功率過低的問題。目前，該系統實現了0.34 THz 工作頻率吉比特每秒的高清視頻業務數據傳輸。

另外，湖南大學在100 GHz 頻段，用基于光電結合的方式實現高速實時數據通信。發射端采用光電二極管產生100 GHz 高頻載波，接收端通過分諧波混頻器進行相干解調，實現了速率達6 Gbit/s 的通信。上海微系統所采用量子級聯激光器已實現了3.1 THz、傳輸速率為100 Mbit/s 的演示系統。

系列性的成果為中國太赫茲通信技術積累了良好的核心元器件技術和系統的基礎，也為空間太赫茲測控技術的研究打下了良好的基礎。

隨著其他各國對太赫茲技術的加大投入，使得中國太赫茲通信技術發展面臨著嚴峻的挑戰，例如：歐盟2017 年成立的由德國、希臘、芬蘭、葡萄牙、英國等跨國TERRANOVA 計劃，明確提出研發超高速太赫茲創新無線通信技術。

5 發展具有自主知識產權太赫茲通信技術建議及思考

（1）大力發展高性能太赫茲核心芯片和器件

太赫茲通信技術是一個跨學科、跨專業的復合型技術領域，不僅需要通信技術的發展和突破，還需要高性能器件做支撐。因此，發展太赫茲通信技術必須要突破高性能器件技術，這亟需政府在研發上加大支持力度。特別是要在大功率GaN 太赫茲二極管的制備、大功率太赫茲固態電子放大器、高效率太赫茲倍頻器、混頻器、高速高效太赫茲調制器、高增益太赫茲天線、高靈敏太赫茲相干接收器件以及太赫茲高速基帶等研究方向上加大投入，爭取盡快取得突破，解決當前發展瓶頸。建議設立太赫茲通信關鍵器件的研究專項，重點支持高性能太赫茲固態電子學信號源、太赫茲放大器、太赫茲調制器、太赫茲接收器件等的研制，以盡快提高中國太赫茲通信技術核心元器件的研究水平，確保太赫茲高速無線通信系統元器件的自在可控。

（2）構建全國開放的高性能太赫茲通信技術測試平臺和大型全國性研究發展計劃

高性能太赫茲通信技術測試平臺對于太赫茲通信用器件的測試、聯試，對于發展太赫茲通信技術至關重要。然而，太赫茲測試設備價格昂貴，太赫茲通信系統的集成和聯試又需要多臺設備并行使用，單一研究單位難以搭建全面、高性能的測試平臺。建議建立全國性的、開放的高性能太赫茲通信技術測試平臺，形成完整的測試設備鏈路，為太赫茲通信技術的發展提供保障。

（3）立項國家重大科研計劃支持太赫茲通信技術和系統研究

中國多個部委都設立了與太赫茲通信技術相關的項目，但是支持力度仍遠低于發達國家。針對目前中國太赫茲通信技術現有的發展水平與能力，建議由國家科技部門牽頭設立一個大型的全國性太赫茲通信技術研究計劃，進一步加大投入力度，中國將極有可能在該領域實現彎道超車，趕超國際先進水平。

6 結束語

太赫茲通信具有高速數據無線傳輸能力、強通信跟蹤捕獲能力、高保密性等優點，是發展未來Beyond 5G 大容量數據最重要技術手段，是推動、發展新一代高速大容量無線通信的重要基礎，對于發展中國先進科學技術，提升中國科技創新能力具有重大的戰略意義。

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作者：陳智、張雅鑫、李少謙，電子科技大學

來源：中興通訊技術

作者簡介

陳智，電子科技大學教授、博士生導師；主要從事太赫茲通信、無線與移動通信的研究工作。

李少謙，電子科技大學教授、博導，IEEE Fellow，通信抗干擾技術國家重點實驗室主任，國家新一代寬帶無線移動通信網重大專項總體組成員，國家“863”計劃5G 重大項目總體組成員，國家“973”計劃咨詢專家組成員，國家通信與網絡重點研發計劃專家組成員，工信部通信科技委委員；主要研究方向為無線與移動通信技術；主持完成了30 余項國家級科研項目，獲國家、國防和省部級科技獎7 次；獲ZL授權50 余項，發表論文100 余篇，出版專著多部。

張雅鑫，電子科技大學教授、博士生導師；主要從事太赫茲調制和射頻器件的研究工作。