6G 的下一步：太赫茲技術(shù)新進(jìn)展

由于太赫茲技術(shù)被視為邁向 6G 的下一步，Cannon 公司、哈佛大學(xué)以及 NASA 等機(jī)構(gòu)都致力于推動(dòng)這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展。

位于電磁 (EM) 頻譜的 30 微米和 3 毫米范圍之間的太赫茲 (THz) 或亞毫米波長(zhǎng)輻射可能與未來幾代電信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展密切相關(guān)。與 5G 相比，該頻段被稱為 6G 的候選技術(shù)，已被證明能夠?qū)崿F(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸速率，這促使研究人員和工程師進(jìn)一步研究使用這些波長(zhǎng)生成和讀取信號(hào)背后的科學(xué)。

顯示太赫茲波段的 EM 光譜概覽。

本文介紹了太赫茲技術(shù)的三個(gè)最新發(fā)展，包括兩項(xiàng)新的芯片技術(shù)。其中兩項(xiàng)突破來自學(xué)術(shù)界，一項(xiàng)來自工業(yè)界。盡管需要注意的是太赫茲輻射有多種用例，但今天，我們將主要關(guān)注為無線寬帶蜂窩電信網(wǎng)絡(luò)實(shí)施該技術(shù)。

用于太赫茲信號(hào)生成的超薄光子電路

今年早些時(shí)候，來自瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院、蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和哈佛大學(xué)的一組科學(xué)家發(fā)表了他們?cè)陂_發(fā)用于精確生成太赫茲信號(hào)的專有電路方面的發(fā)現(xiàn)。在 EPFL HYLAB 的 Christina Benea-Chelmus 教授的帶領(lǐng)下，該團(tuán)隊(duì)制造了一種在光學(xué)和電信領(lǐng)域都有潛在應(yīng)用的集成電路。

研究人員用于生成太赫茲信號(hào)的芯片和設(shè)置。

利用一種叫做鈮酸鋰（一種常用于制造電子元件和傳感器的化合物）的合成化學(xué)物質(zhì)的特性，研究人員能夠制造出一種光子芯片，它不僅可以產(chǎn)生太赫茲波，還可以精確控制信號(hào)的頻率、幅度和相位。

這種超薄膜芯片是通過納米級(jí)蝕刻工藝制成的，其中稱為波導(dǎo)的通道排列使微型天線能夠在標(biāo)準(zhǔn)光纖的幫助下廣播太赫茲信號(hào)。

據(jù) Benea-Chelmus 教授介紹，這種使用熟悉的制造方法和傳統(tǒng)光學(xué)電子技術(shù)的小型設(shè)備可以封裝成微型嵌入式組件，用于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，這可能是 6G 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開發(fā)中的寶貴資產(chǎn)。

其他用例包括非破壞性光譜學(xué)和量子物體的控制，盡管目前，該團(tuán)隊(duì)的首要任務(wù)是改進(jìn)他們?cè)O(shè)計(jì)的波導(dǎo)和天線，以創(chuàng)建具有更大振幅的信號(hào)并進(jìn)一步微調(diào)其太赫茲頻率。

佳能開發(fā)太赫茲芯片

在行業(yè)方面，以相機(jī)和打印機(jī)設(shè)備而廣受歡迎的日本科技集團(tuán)佳能宣布了一種新型緊湊型太赫茲半導(dǎo)體芯片，可能以成像形式應(yīng)用于安全領(lǐng)域，并以 6G 形式應(yīng)用于電信領(lǐng)域。

佳能最新的太赫茲芯片。

使用稱為諧振隧道二極管的組件，佳能的工程師能夠縮小其設(shè)計(jì)并創(chuàng)建能夠同時(shí)具有高輸出和高可檢測(cè)性的 IC，同時(shí)封裝到比其他演示小得多的占位面積中。這些二極管非常有用，因?yàn)樗鼈儚膬?nèi)置于半導(dǎo)體中的天線發(fā)射太赫茲輻射，有效地消除了對(duì)頻率多路復(fù)用器、喇叭天線和透鏡等模塊的需求。

由 36 根天線組成的集成陣列精確同步，偏差不超過 1 皮秒，可提高信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和清晰度，同時(shí)也可能對(duì)克服太赫茲技術(shù)的范圍挑戰(zhàn)產(chǎn)生影響。

目前，該設(shè)備旨在用于手機(jī)和相機(jī)等小型電子設(shè)備，但也可用于實(shí)時(shí)主動(dòng)成像等其他計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。據(jù)佳能稱，其新芯片還可以在數(shù)米范圍內(nèi)進(jìn)行非侵入式人體掃描和隱藏武器檢測(cè)，適用于行人密集場(chǎng)所的安全用途，而不會(huì)中斷交通。

提高太赫茲通信的范圍

無線電數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊粋€(gè)常見經(jīng)驗(yàn)法則是信號(hào)頻率越高，傳輸距離越短。如果我們看一下太赫茲范圍內(nèi)的高頻，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)在我們的通信開始出現(xiàn)損耗之前，發(fā)射器和接收器之間的最大距離約為一英尺。

來自美國(guó)東北大學(xué)、美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和空軍研究實(shí)驗(yàn)室的一組科學(xué)家提出了一種克服這些挑戰(zhàn)的新方法，建立了超過一英里的每秒數(shù)千兆比特的連接。

研究人員已經(jīng)找到了建立進(jìn)一步太赫茲連接的方法。

根據(jù)美國(guó)東北大學(xué)的 Joseph Jornet 教授的說法，他們成功的關(guān)鍵是從他們的通信信道中移除混頻器（傳統(tǒng)上用于向信號(hào)添加信息的模塊）的過程，因?yàn)樗捎趥鬏數(shù)母吖β室蠖鴮?duì)他們的系統(tǒng)產(chǎn)生了負(fù)面影響太赫茲信號(hào)。

這樣，為了建立可靠的鏈接，團(tuán)隊(duì)對(duì)信息進(jìn)行了預(yù)失真并將其直接饋送到源中，從而無需在接收器端進(jìn)行重建，在那里他們可以從門外獲得幾乎『干凈』的信號(hào)。

這個(gè)過程的背后是一個(gè)基于傳統(tǒng)肖特基二極管的電子系統(tǒng)，它可以以與光纖相同的速度無線發(fā)送數(shù)據(jù)，并在 2 公里的范圍內(nèi)進(jìn)行測(cè)試。根據(jù) Jornet 教授的說法，這項(xiàng)工作可用于開發(fā)全球 6G 網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以通過衛(wèi)星通信而不是光纜基礎(chǔ)設(shè)施在全球范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的無線互聯(lián)網(wǎng)速度。

從光學(xué)到無線的可能轉(zhuǎn)變？

盡管 5G 標(biāo)準(zhǔn)尚未達(dá)到頂峰，但依賴越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速度的計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步可能遲早會(huì)迎來太赫茲作為下一代標(biāo)準(zhǔn)。

在解決這三個(gè)新發(fā)現(xiàn)有效實(shí)現(xiàn)的組件尺寸和范圍挑戰(zhàn)的同時(shí)，行業(yè)和標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)檢查這些技術(shù)的可行性變得很重要。這包括將其集成到我們的電信網(wǎng)絡(luò)和未來幾代消費(fèi)電子產(chǎn)品中，可能會(huì)將重點(diǎn)從發(fā)展全球光纖基礎(chǔ)設(shè)施轉(zhuǎn)移到創(chuàng)建廣泛的寬帶無線 6G 網(wǎng)絡(luò)?？偟膩碚f，太赫茲技術(shù)看起來像是一種很有前途的未來技術(shù)。