发展中国太赫兹高速通信技术与应用的思考（二）

2015 年，加利福尼亚大学设计了一个非相干的140 GHz 收发器和一个采用65 nm 互补金属氧化物半导体（CMOS）技术的太赫兹发生器，集成了数据速率为2.5 Gbit/s 的太赫兹通信系统^[11]。同年，加州大学伯克利分校采用65 nm CMOS 技术设计了一个240 GHz 的收发系统，实现了10 Gbit/s的数据速率，其最大数据传输速率可达16 Gbit/s ^[12]。

2015 年，圣何塞州立大学采用了40 nm CMOS 的技术集成了210 GHzOOK 调制方式的无线通信系统，该系统能够实现了无差错的伪随机数据在1 cm 范围内的传输，传输速率为10.7 Gbit/s ^[13]。2016 年，德国伍珀塔尔大学提出了一种工作在240 GHz 的、全集成式直接转换正交发射机和接收机芯片组，该芯片组采用0.13 μm SiGe 双极CMOS 工艺，最高通信速率可达到2.73 Gbit/s^[14]。

目前，该方式太赫兹通信系统具有体积小、易集成、功耗低的特点，不足之处在于本振源经过多次倍频后相噪恶化，且变频损耗大，载波信号的输出功率在微瓦级，因此该类系统需要进一步发展高增益宽频带功率放大器以提高发射功率。

基于直接调制方式的太赫兹通信系统是近年来随着太赫兹调制器速率突破衍生发展的新一类通信系统^[15-18]。这种通信方案的核心关键技术为高速调制器，需要实现太赫兹波幅度或相位德直接调制，其优势在于易于集成、体积小、灵活性大，可随意选择载波频率、太赫兹源功率，是可搭配中高功率太赫兹源实现10 mW以上功率输出的通信系统，可实现中远距离无线通信；不足之处在于目前太赫兹直接调制器还在研究中，还未突破10 Gbit/s 以上的太赫兹直接调制器。目前中国的电子科技大学已经掌握了该技术的核心方案，在国际上首次突破1 Gbit/s 的太赫兹直接调制器。

4 中国太赫兹通信技术发展现状

中国政府各级部门十分重视太赫兹科学技术的发展，多个部委设立了太赫兹的相关研究计划。在国家的支持下，通过10 余年的发展，中国已经形成了一支以高校、科研院所为主体的太赫兹技术创新研发队伍。在太赫兹通信技术的方向上，电子科技大学等多家单位取得了较为突出的成果。

2015—2016 年间，电子科技大学研制出了中国首套地面实时传输裸眼3D 业务的太赫兹通信系统，该系统工作频率为0.22 THz，并基于QPSK直接调制解调的方式，调制解调器采用0.22 THz 分谐波混频器，基带信号由码型发生器产生，经混频器中频端口馈入，调制到0.22 THz 载波频率后通过喇叭天线发射，已调信号经接收端混频器相干解调后送至误码分析仪进行误码分析。该系统可以实现10 Gbit/s 实时高速数据通信，有较好的误码性能^[19]，平均误码率小于10^-6 。该系统目前采用相干接收技术和大口径天线已实现了0.2 km 距离传输，为高速中远距离无线通信打下了重要基础。

2016 年，电子科技大学率先在国际上研制出了首套直接调制方式的太赫兹通信系统，并实现了千米级高清视频传输。该系统采用外部高速调制器直接对空间传输太赫兹信号进行调制，这种调制方式较现有的太赫兹通信方式，具有可灵活搭配中高功率太赫兹辐射源实现远距离通信的优点，有效突破了目前太赫兹通信系统中承载发射功率过低的问题。目前，该系统实现了0.34 THz 工作频率吉比特每秒的高清视频业务数据传输。

另外，湖南大学在100 GHz 频段，用基于光电结合的方式实现高速实时数据通信。发射端采用光电二极管产生100 GHz 高频载波，接收端通过分谐波混频器进行相干解调，实现了速率达6 Gbit/s 的通信。上海微系统所采用量子级联激光器已实现了3.1 THz、传输速率为100 Mbit/s 的演示系统。

系列性的成果为中国太赫兹通信技术积累了良好的核心元器件技术和系统的基础，也为空间太赫兹测控技术的研究打下了良好的基础。

随着其他各国对太赫兹技术的加大投入，使得中国太赫兹通信技术发展面临着严峻的挑战，例如：欧盟2017 年成立的由德国、希腊、芬兰、葡萄牙、英国等跨国TERRANOVA 计划，明确提出研发超高速太赫兹创新无线通信技术。

5 发展具有自主知识产权太赫兹通信技术建议及思考

（1）大力发展高性能太赫兹核心芯片和器件

太赫兹通信技术是一个跨学科、跨专业的复合型技术领域，不仅需要通信技术的发展和突破，还需要高性能器件做支撑。因此，发展太赫兹通信技术必须要突破高性能器件技术，这亟需政府在研发上加大支持力度。特别是要在大功率GaN 太赫兹二极管的制备、大功率太赫兹固态电子放大器、高效率太赫兹倍频器、混频器、高速高效太赫兹调制器、高增益太赫兹天线、高灵敏太赫兹相干接收器件以及太赫兹高速基带等研究方向上加大投入，争取尽快取得突破，解决当前发展瓶颈。建议设立太赫兹通信关键器件的研究专项，重点支持高性能太赫兹固态电子学信号源、太赫兹放大器、太赫兹调制器、太赫兹接收器件等的研制，以尽快提高中国太赫兹通信技术核心元器件的研究水平，确保太赫兹高速无线通信系统元器件的自在可控。

（2）构建全国开放的高性能太赫兹通信技术测试平台和大型全国性研究发展计划

高性能太赫兹通信技术测试平台对于太赫兹通信用器件的测试、联试，对于发展太赫兹通信技术至关重要。然而，太赫兹测试设备价格昂贵，太赫兹通信系统的集成和联试又需要多台设备并行使用，单一研究单位难以搭建全面、高性能的测试平台。建议建立全国性的、开放的高性能太赫兹通信技术测试平台，形成完整的测试设备链路，为太赫兹通信技术的发展提供保障。

（3）立项国家重大科研计划支持太赫兹通信技术和系统研究

中国多个部委都设立了与太赫兹通信技术相关的项目，但是支持力度仍远低于发达国家。针对目前中国太赫兹通信技术现有的发展水平与能力，建议由国家科技部门牵头设立一个大型的全国性太赫兹通信技术研究计划，进一步加大投入力度，中国将极有可能在该领域实现弯道超车，赶超国际先进水平。

6 结束语

太赫兹通信具有高速数据无线传输能力、强通信跟踪捕获能力、高保密性等优点，是发展未来Beyond 5G 大容量数据最重要技术手段，是推动、发展新一代高速大容量无线通信的重要基础，对于发展中国先进科学技术，提升中国科技创新能力具有重大的战略意义。

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作者：陈智、张雅鑫、李少谦，电子科技大学

来源：中兴通讯技术

作者简介

陈智，电子科技大学教授、博士生导师；主要从事太赫兹通信、无线与移动通信的研究工作。

李少谦，电子科技大学教授、博导，IEEE Fellow，通信抗干扰技术国家重点实验室主任，国家新一代宽带无线移动通信网重大专项总体组成员，国家“863”计划5G 重大项目总体组成员，国家“973”计划咨询专家组成员，国家通信与网络重点研发计划专家组成员，工信部通信科技委委员；主要研究方向为无线与移动通信技术；主持完成了30 余项国家级科研项目，获国家、国防和省部级科技奖7 次；获ZL授权50 余项，发表论文100 余篇，出版专著多部。

张雅鑫，电子科技大学教授、博士生导师；主要从事太赫兹调制和射频器件的研究工作。