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太赫兹轨道角动量通信方法应用分析
王虎,段崇棣,朱忠博,陈刚
(中国空间技术研究院西安分院 陕西西安 710100)
摘要:轨道角动量通信复用方法近年来被大量研究,并被认为是一种提升通信容量的有效途径。基于国
内外相关研究,首先阐述了轨道角动量通信方法的发展,然后根据频率特点分析太赫兹轨道角动量通信
方法的形式和应用优势,进一步地分析讨论了太赫兹轨道角动量通信应用存在的问题和解决方式,特别
是远距离大宽带情形下的分析将为未来技术发展和应用提供参考。
关键词:太赫兹,太赫兹通信,轨道角动量
Applied Analysis of Terahertz Orbital Angular Momentum
Communications
Hu Wang, Chongdi Duan, Zhongbo Zhu and Gang Chen
(China Academy of space Technology (Xi’an), Xi’an, shannxi, 710100, P. R. China)
Abstract:Recently, the orbital angular momentum (OAM) communication method has obtained many
researches, and is recognized as a promising method in improving the capacity of the communication systems.
The development of the OAM communications is introduced. Then based on the frequency characteristic, the
structure and advantage of the terahertz OAM communication is analyzed. Finally, some technical problems,
especially those with wide bandwidth and long-range communications, are discussed for further development
and applications.
Keywords: Terahertz,Terahertz communications,orbital angular momentum
太赫兹波(THz,Terahertz)通常是指频率处于 0.1THz-10THz 区间的电磁波,该波段位于毫米波
和红外光之间。随着科技的发展以及各国研究者的努力,近年来太赫兹波辐射的产生、检测和应用等技
术得到了蓬勃发展,并逐步形成了一个新兴交叉学科领域——太赫兹科学与技术。目前太赫兹波科学与
技术的迅速发展对宽带移动通讯、卫星通信、安全检查、无损检测、医疗诊断、天文学、环境监测和材
料生物等领域已产生了重大的影响
[1-3]
。
特别是在太赫兹通信领域,太赫兹通信技术具有频率资源丰富、可承载带宽大、保密性好等优点,
能满足速率为数十 Gbit/s 及以上的无线传输需求,在未来高速无线通信方面具有广阔的应用前景,已备
受国内外研究者的关注。基于光学轨道角动量(OAM, Orbital Angular Momentum)的模分复用方法,
用于微波和激光通信,可将系统容量分别提升至几十 Gbit/s
[4]
和 Tbit/s
[5]
,显示了在提升通信容量方面的
极大的应用潜力。太赫兹波处于微波和光学波段中间,借鉴微波和光学段的相关研究和应用成果,推动
太赫兹波段 OAM 的通信应用研究,有望进一步提升太赫兹波段的通信系统容量,扩展太赫兹通信系统
的应用范围。
1、 太赫兹通信和轨道角动量通信进展
国外,2005 年,德国 R. Piesiewic 等人提出短距离太赫兹无线通信的设想
[6]
;2006 年,日本 NTT
(Nippon Telegraph & Telephone)实验室的 Akihiko Hirata 等人报道了基于 UTC-PD (Uni-Traveling
Carrier Photodiode)光电二极管的光电变换 THz源和毫米波单片集成电路(MMIC, Monolithic Microwave
Integrated Circuits)芯片接收的 0.12 THz 波段的 THz 通信系统,首次实现 10Gbit/s,传输距离为 200m
的高速无线通信,成为 THz 通信技术的标志性成果
[7]
; 2010 年,他们还实现了 THz 发射和接收端皆
为 MMIC 芯片的全电子学太赫兹通信系统,通信波段和速率仍然为 0.12THz 和 10Gbit/s,地面环境通信
距离达 5.8km
[8]
;2011 年,德国 Ingmar Kallfass 等人报道了基于 InP mHEMT(Metamorphic High-electron
Mobility Transistor)工艺制造的太赫兹单片集成电路(TMIC, Terahertz Monolithic Integrated Circuits)
芯片收发前端的 0.22THz 波段太赫兹通信系统,通信速率为 25Gbit/s,传输距离为 0.5m;2012 年,他
们将该系统传输速率提升到 30Gbit/s,距离提升至 10m 以上
[9-10]
;美国贝尔实验室则在 2011 年搭建了
625GHz 的太赫兹通信系统,通信速率达 2.5 Gbit/s
[11]
;2013 年,S. Koenig 等人则报道了光电变换的发
射机(光学梳状谱+UTC-PD,UTC-PD 由日本 NTT 研制)和 mHEMT TMIC 接收机芯片,基于 QPSK(正
交相移键控,Quadrature Phase Shift Keying), 8QAM (正交振幅调制,Quadrature Amplitude
Modulation),16QAM 多元调制体制,在 0.24THz 实现了 100Gbps 速率、20m 距离的无线传输和离线
软件解调,创造了新的世界记录
[12]
;2016 年,J. Y. Suen 论证了 Tbps 量级的太赫兹卫星通信,进一步
拓展了太赫兹通信应用范围
[13-14]
;2017 年,M. F. Hermelo 等人实现了 325GHz 频段 59Gbps 的相干光
纤无线电通信
[15]
。 国内,2011 年,中国工程物理研究院基于太赫兹电子学半导体器件,采用 “16QAM
高速矢量调制+谐波混频+放大”的高速信息传输技术路线,研制了国内首个 0.14 THz/10Gbps 高速通
信传输系统实验样机,完成了 500m 距离无线实时传输和软件化事后解调实验
[16]
;2012 年中国工程物
理研究院进一步实现了 0.34THz 16QAM 3 Gbps 的实时解调通信系统,完成了 50 m 无线传输实验,当
传输速率为 3 Gbps 时,误码率优于 1×10-6
[17-18]
;2015 年,完成 0.14THz 频段的太赫兹通信极化复
用验证,实现了 2× 40 Gbps 的无线通信,极大地提升了系统的通信容量
[19]
;2017 年完成了 21km, 5Gbps,
0.14 THz 无线通信系统设计与试验
[20]
,并开展了太赫兹通信中高速数字信号的并行化处理研究
[21]
,进
一步提升了高速太赫兹通信的实用化水平;中科院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室曹俊成
研究团队通过直接调制量子阱激光器在 4.1THz 实现了 2m 太赫兹数字信号传输
[22]
。
从发展历程来看,太赫兹通信技术主要从通信频段、通信速率和传输距离寻求突破,远距离和高速
率通信是研究者们不断追求的目标。经过不到 10 年的发展,太赫兹通信系统的载波频率不断提高,传
输速率大幅提升,通信距离不断拉长,收发系统逐渐集成化,已然展现了太赫兹通信系统频率资源丰富、
大宽带和轻小型化等优点,为太赫兹通信技术的广泛应用奠定了坚实的基础。但是,单一通过加载大宽
带信号来提高通信速率的方法对太赫兹器件和通信信号处理都带来了极大的挑战。其实, S. Koenig 等
人报道的高达 100Gbit/s 的太赫兹通信系统就已采用了频分复用的方法
[12]
。而林长星等人在 0.14THz 的
极化复用方法的应用
[20]
,则显示了复用方法对通信容量提升的重要作用。未来,对太赫兹通信信道复
用方法的研究显得愈加重要。
除了传统的频分复用和极化复用等方式,近几年,基于
OAM
的模分复用方法则获得了国内外研究
者的极大关注。将其用于微波和激光通信,可将系统容量分别提升至几十
Gbit/s
[4]
和
Tbit/s
[5]
。太赫兹波
处于微波和光学波段中间,借鉴微波和光学段的相关研究和应用成果,推动太赫兹波段
OAM
的通信应
用研究,有望进一步提升太赫兹波段的通信系统容量。
OAM
光束具有螺旋状的截面相位结构
exp( i )
l
,
其中
为方位角,
l
为量子化的拓扑荷,可用来表征
OAM
的本征态。不同
l
的
OAM
光束是互相独立
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