第十四章--太赫兹通信

第十四章太赫兹通信太赫兹作为微波和毫米波的延伸，它所提供的通信带宽要远远大于毫米波。随着太赫兹辐射源和探测器的发展，以及太赫兹调制器和滤波器的问世，促进了太赫兹在通信领域的发展应用。可以预测在不远的将来太赫兹波技术将会在近距离通信（10m到100m以内）方面发挥出越来越大的作用。14.1太赫兹通信“太赫兹通信”时代意味着：（1）每秒的有效数据传输率超过1T比特（通过光学载波技术）；（2）太赫兹载波通信。尽管点对点的光通信技术在光波长量级能得到极宽的带宽，但太赫兹通信的魅力更让人神往，如可用的太赫兹频带和通信带宽。目前美国联邦通信委员会还未对高于300GHz的频率进行分配，美国频率分配图如图14-1所示。从图中可以看到当时制定它时，根本都没有考虑太赫兹波段，从而也就没有对其进行分配。现在太赫兹通信仍处在发展的初级阶段，而且这一频段的数据传输直到近几年才得以实现。图14-1美国通信委员会制定的频谱分配图14.1.1宽带通信和高速信息网太赫兹用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百甚至1000倍之多，而且与可见光和红外相比它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。由于太赫兹频段位于红外线和高频无线电（主要用于移动电话和其他无线通信系统之中）之间，并且该频率是目前手机通信频率的1000倍左右，所以它是很好的宽带信息载体，特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通信。因此利用太赫兹电磁波进行无线电通信，则可以极大地增宽无线电通信网络的频带，可望使无线移动高速信息网络成为现实。工作在太赫兹频段的自由空间光（FSO）通讯系统可以将无线电波和可见光的优点结合起来，在浓雾天气中也可以高速传输数据。目前，该频段的光通讯设备还在研制阶段。14.1.2高速短距离无线通信德国的研究人员首先发现利用太赫兹波可以传送音频信号。这将促使新型高速、短程无线通信网路的建立。随着无线通信网络对高速的要求越来越迫切，研究人员正在试图将频率往更高波段延伸，比如说太赫兹波段。太赫兹波在空气中传播时很容易被其中的水分所吸收，因此它比较适合于短距离通信。有专家预言，在不远的将来无线太赫兹网络将会取代无线局域网或蓝牙技术，成为短距离无线通信的主流技术。而且德国的布伦瑞克（Braunschweig）工业大学已经建立了能够在室温条件下工作的新型半导体太赫兹调制器，研究人员将这一调制器与可调太赫兹时域光谱系统结合了起来，利用太赫兹宽脉冲，以75MHz的重复率来传输频率高于25kHz的音频信号。利用这一系统可以传输一张CD上的音乐，据称在另一端接收到的音乐的质量和通过电话听到的音乐的质量不相上下。14.1.3太赫兹空间通信太赫兹在350μm、450μm、620μm、735μm和870μm波长附近存在着相对透明的大气窗口。与微波通信相比，太赫兹波束较窄，波束方向性好，可以实现外差接收，可以作定点保密通信或作宽频带、大容量的通信系统，因此，是将来用于多媒体传输大容量无线通信的希望。在外层空间，太赫兹波可以无损耗的传输，用很小的功率就可实现远距离通信，而且相对于光谱通信来说，其波束较宽，容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。另外，太赫兹波在空间技术上的另一个重要应用就是与重返大气层的飞行器如导弹、人造卫星、宇宙飞船等进行通信和遥测。当飞行器重返大气层时，由于空气摩擦产生高温，飞行器周围的空气被电离形成等离子体，使通信遥测信号迅速衰减，造成信号中断。此时，太赫兹波是唯一有效的通信工具。因为等离子体中的电子在其平衡位置上以一个特征频率fp作振动，它随电子数密度Ne的增加而增大。当工作频率ffp时，等离子体可看作时低耗介质，电磁波可以透过它。当飞行器重返大气层时，其周围浓密的等离子体的特征频率fp迅速增大到光谱信号频率ffp，信号被等离子体的谐振吸收而迅速衰减，造成常规通信中断。若以太赫兹波作为通信信号，其频率f始终fp，其信号可以透过等离子体，使通信畅通无阻。因此，太赫兹波可以广泛应用于太空基地雷达和太空通信当中。14.1.4太赫兹晶体管此前不久，英特尔公司的研究人员开发成功了一种可以在太赫兹频率进行工作的新型晶体管。这种晶体管被命名为太赫兹晶体管，据预计这种晶体管可以将现有的处理器的集成度提高25倍，运行速度提高10倍，但是整个处理器的功率消耗可以保持不变。预计这种类型的新型晶体管在本年代的后半期将会投入应用，到时将会引起IT产业的又一场变革。在处理器和逻辑线路中，这些器件将证明摩尔定律继续有效，可以使处理器晶体管的数目增长速度继续维持在每一年半到两年内翻一番。太赫兹晶体管的研制成功，应归于消耗功率的降低，因为如果芯片的功耗增加过大，可能使芯片很快过热而变得不可靠，也会使电源很快耗尽。这项开发成果经应用于现场语音识别与翻译；现场面容识别以及图像润色。太赫兹晶体管与现有的晶体管相比，具有以下优点：（1）一层取代现有二氧化硅层的“高K”栅极绝缘介质。由于新采用的绝缘介质层可以允许做得更薄，器件因而可以做得更小，并且可以抑制漏电电流，使之降低至万分之一。（2）在晶体管下面增加一层绝缘氧化层，可以在晶体管截止时减少源与漏之间的电流，使之降低至1%。（3）增加了源与漏层的厚度，使电阻降低30%，并降低了功耗。其他优点还有：降低了结电容，提高了对于α粒子的防御能力，提高了可靠性，消除了内部陷阱俘获的电荷，使得线路设计更为简单。英特尔有关太赫兹晶体管研制项目的重点是实验性高能性、非平面三级CMOS晶体管。这种晶体管并没有采用当前的“平面”设计，而是采用一种三位架构设计，这就增加了晶体管门电路的表面积，从而提高了性能，可以支持更高速度的处理器。14.2太赫兹通信在军事上的应用太赫兹波穿透云层、浓雾及伪装物的能力比红外线强。这一特性在军事和国防上使很有价值的。利用它可以制作高分辨率全天候的导航系统，在浓雾中导航，指挥飞机着陆。利用太赫兹波方向性强、能量集中的特点，可制作高分辨率的战场雷达和低仰角的跟踪雷达。利用太赫兹大气传输窗口也可进行太赫兹近距离战术通信。在某些情况中，鉴于战区作战地带通信声道的混乱和拥塞，有限的传输距离反而能成为优势。太赫兹辐射的波束特性能降低远处敌人在通信途中截取传输信号的可能性。甚至还有这种可能性，那就是敌人缺乏技术能力去探测、中途截取、阻塞或“电子欺骗”太赫兹传输信号。另外，大气衰减能实现隐蔽的近距离通信，因为这些信号根本无法传播到远处敌人的潜听哨。倘若太赫兹通信设备能够做得足够小而轻，那么则可以排级单位间的单兵之间的通信。太赫兹航海灯塔在秘密军事行动中同样具有引人的优势如特种部队的投放和对失事飞行员的营救等，美中不足的还是它量程过短。14.3太赫兹通信所遇到的挑战太赫兹在通信方面的不利因素在于：大气中的水蒸汽会对太赫兹辐射有强烈吸收作用，如图14-2所示；同时，现有的太赫兹辐射源的效率很低，可用功率也相对较低，这两点也制约了太赫兹在通信领域中的发展应用。例如，对于功率为1mW，探测灵敏度为1pW的太赫兹辐射源，其工作的动态范围可达60dB，也就是说，在大气衰减小于100dB/km的大气窗口范围内，它能实现距离为500m的通信。图14-2太赫兹频率范围内的大气衰减对于太赫兹通信来说，尽管目前还存在着大气的强吸收以及较低的源效率等诸多不利因素，但它的实现还是很有可能的。如卫星间的通信，除卫星擦过地球大气层那段轨道外，大气吸收根本不存在任何影响。太赫兹通信的优势在于：由于它比微波通信的带宽更宽，所以它具有更高的数据传输率，无需在各个硬件系统中来回切换；太赫兹载流子能够直接全电子转换到微波中继器中。同时，天线的尺寸也会大幅度减小，以满足小型人造卫星系统的应用。太赫兹室内无线通信能提供每秒吉比特甚至更大容量的多重数据信道，数据带宽将会超过无线协议，如IEEE802.11b。虽然太赫兹的传播距离很有限，但它能与红外光的传输距离可比拟，由此太赫兹通信是红外传输的有力挑战。光通信中常遇到的问题就是云、雨、灰尘等对光的散射和吸收，最终能导致光信号衰减。根据瑞利散射原理可知，散射横截面的大小与波长的四次方成反比。由它可以解释天空为什么呈蓝色，而日出和日落时又为什么呈红色的原因。这是因为蓝光波长较短，红光波长较长，因而蓝波比红波的散射更强烈。与光通信相比，在太赫兹波和毫米波的传输过程当中，微粒对它们所造成的散射损失会相对较少。所以在雨天或阴天时，毫米带通信可作为光通信的备用方案。同样道理，当空气中弥漫有许多微粒（烟尘、灰尘）时，可用太赫兹作短距离通信。