从新芯片到更宽范围太赫兹技术的推动仍在继续

位于电磁（EM）光谱的30微米至3毫米范围内的太赫兹（THz）或亚毫米波长辐射可能与未来几代电信网络的发展密切相关。

该频段被称为6G的候选技术，与5G相比，它已经被证明能够实现更快的数据传输速率，这促使研究人员和工程师进一步深入研究使用这些波长生成和读取信号背后的科学。

 

显示太赫兹波段的电磁波谱概述。

 

本文介绍了太赫兹技术的三个最新发展。其中两项突破来自学术界，一项来自工业界。尽管需要注意的是，太赫兹辐射有多种使用情况，但今天，我们将主要关注将这项技术用于无线宽带蜂窝电信网络。

 

用于太赫兹信号产生的超薄光子电路

今年早些时候，来自瑞士EPFL、苏黎世联邦理工学院和哈佛大学的一个科学家团队发表了他们在开发用于精确生成太赫兹信号的专有电路方面的发现。在EPFL HYLAB的Christina Benea Chelmus教授的领导下，该团队制造了一种集成电路，在光学和电信领域都有潜在的应用。

 

研究人员的芯片和产生太赫兹信号的装置。图片由EPFL提供

 

利用一种名为铌酸锂的合成化学物质（一种通常用于制造电子元件和传感器的化合物）的特性，研究人员能够制造出一种光子芯片，该芯片不仅可以产生太赫兹波，还可以精确控制信号的频率、幅度和相位。

这种超薄薄膜芯片是通过纳米级的蚀刻工艺制作的，其中称为波导的通道排列使微型天线能够在标准光纤的帮助下广播太赫兹信号。

根据Benea Chelmus教授的说法，这种使用熟悉的制造方法和传统光电器件的小型设备可以封装成一个微型嵌入式组件，用于发送和接收数据，这可能是6G网络设备开发中的宝贵资产。

其他用例包括非破坏性光谱和量子物体的控制，尽管目前，该团队的首要任务是改进他们设计的波导和天线，以产生更大振幅的信号，并进一步微调其太赫兹频率。

 

提高太赫兹通信的范围

无线电数据传输的一个常见经验法则是，信号频率越高，传输距离越短。如果我们观察太赫兹范围内的高频，在我们的通信开始出现损耗之前，我们将在发射器和接收器之间获得大约一英尺的最大距离。

来自东北大学、美国国家航空航天局喷气推进实验室和空军研究实验室的一个科学家团队提出了一种克服这些挑战的新方法，通过一英里以上的链路建立每秒数千兆的连接。

 

研究人员已经找到了一种建立进一步太赫兹连接的方法。图片由Matthew Modoono/东北大学提供

 

东北大学的Joseph Jornet教授表示，他们成功的关键是从通信信道中移除混频器（一种传统上用于向信号添加信息的模块），因为由于传输太赫兹信号的高功率要求，混频器对系统产生了负面影响。

通过这种方式，为了建立可靠的链路，团队对信息进行了预失真，并将其直接输入到源中，从而消除了在接收器端进行重建的需要，在接收器端，他们可以从门中获得几乎干净的信号（仍然需要处理）。

这一过程背后是一个基于传统肖特基二极管的电子系统，该系统可以以与光纤相同的速度无线发送数据，并在2公里的范围内进行测试，这项工作可以用于开发全球6G网络，该网络可以通过卫星通信而不是光纤电缆基础设施在世界各地实现极高的无线互联网速度。

 

佳能开发太赫兹芯片

在行业方面，以相机和打印机设备而闻名的日本科技集团佳能宣布了一种新型紧凑型太赫兹半导体芯片，该芯片可能应用于成像形式的安全以及6G形式的电信。

 

佳能最新的太赫兹芯片。图片由佳能提供

 

使用被称为谐振隧道二极管的组件，佳能的工程师能够缩小其设计，创造出一种既能高输出又能高检测的IC，同时封装在比其他演示小得多的占地面积中。这些二极管的有用之处在于，它们从内置在半导体中的天线发射太赫兹辐射，有效地消除了对频率复用器、喇叭天线和透镜等模块的需求，

36个天线的集成阵列以不超过一皮秒的偏差精确同步，使信号传输具有更高的准确性和清晰度，同时也可能对克服太赫兹技术的测距挑战产生影响。

目前，该设备旨在用于小型电子设备，如手机和相机，也用于其他计算机系统，如实时主动成像。据佳能介绍，其新芯片还可以进行非侵入性的身体扫描，并检测几米范围内的隐藏武器，适用于行人密集地区的安全使用，而不会干扰交通。

 

从光学到无线的可能转变？

尽管5G标准尚未达到顶峰，但依赖越来越高的数据传输速度的计算机和网络技术的进步可能迟早会欢迎太赫兹成为下一代标准。

在解决这三项新发现有效实现的组件尺寸和范围挑战的同时，行业和标准化机构检查这些技术的可行性变得很重要。这包括将其集成到我们的电信网络和未来几代消费电子产品中，可能会将重点从发展世界光纤基础设施转移到创建广泛的宽带无线6G网络。总的来说，太赫兹技术看起来是一种很有前途的未来技术。