太赫兹通信芯片关键技术与系统发展浅析

曹浩一，董亚洲，王正，寇伟，张倩玉，童钦文，杨自强，2，龚森，2，曾泓鑫，张雅鑫，2＊

1.电子科技大学，四川 成都 611731

2.电子科技大学长三角研究院(湖州)，浙江 湖州 313099

前 言

太赫兹通信泛指载波频率位于太赫兹波段（0.1-10THz）的通信技术手段，由于太赫兹波的特殊频谱位置，太赫兹通信既具有红外、可见光的大带宽特点，又具备微波无线电的无线传输能力，其特点可归结为频谱资源丰富、大容量、私密性好等。随着云计算、物联网、移动互联网的崛起，使得通信业务量急剧增加，在现有无线通信频段资源日趋紧张的形势下，通信容量与业务需求矛盾不断地加剧，因此迫切需要发展以太赫兹频段为代表的基于全新频谱的高速通信技术。

随着WRC-2019 会议正式确定275~296GHz、306~313GHz、318~333GHz、356~450GHz 为4 个 全球标识的移动业务频段[1]，太赫兹通信成为了未来6G 关键潜在技术之一。系列性的6G 白皮书均将太赫兹通信列为了关键技术。同时，太赫兹通信也得到了科学技术研究领域和产业领域的高度关注。

在太赫兹通信诸多核心关键技术中，芯片技术是核心，无论是分立器件还是集成电路都离不开高性能太赫兹芯片技术的发展。从目前太赫兹通信需求的核心关键器件发展看，无论是由二极管技术衍生的太赫兹倍频、混频等分立器件，由InP、GaNHEMT、HBT 发展的太赫兹低噪放、功放芯片技术，还是由硅基工艺拓展的集成电路芯片都成为了集成化、小型化太赫兹通信技术发展的前提，并且伴随器件的小型化，更多的技术如天线的大规模多入多出(MIMO)技术也能更好地为太赫兹通信系统的发展提供方向。本文根据太赫兹发展需求，浅析了相关基于二极管芯片的分立器件技术以及相关芯片和通信系统技术的发展，希望抛砖引玉，通过不断的探讨与研究，促进我国太赫兹通信技术的发展。

如图1 所示，目前太赫兹芯片的工艺主要包含InP、GaAs、GaN 和硅基CMOS。在这些技术中，InP 器件的工作频率最高，并且有最高的集成度。相比而言，GaAs 和GaN 器件更适合于大功率太赫兹器件，而硅基CMOS则具有低成本、高集成度的优势。

图1 太赫兹芯片Fig.1 Terahertz chips

1 太赫兹通信关键芯片及器件技术 探讨

由于大气对太赫兹波的吸收特性，大气层内太赫兹无线通信系统难以实现远距离应用，因此现有的太赫兹通信技术的应用主要集中于3 公里以内的适用场景，包括大容量无线数据回传、固定无线接入、短距离无线数据中心数据交互以及高速数据亭信息下载等。在大气层外，空间通信中，太赫兹通信能面向更远距离进行大容量数据传输，因此在空间互联网、小卫星群通信等场景下具有重要应用。无论地面还是空间太赫兹通信，均需要基于半导体芯片的太赫兹器件的发展，本文总体将相关内容归纳为以下几个方面进行谈论：（1）基于二极管芯片的太赫兹分立器件；（2）InP、GaN 基芯片技术；（3）硅基集成电路芯片技术。

1.1 基于二极管芯片的太赫兹分立器件的探讨

1.1.1 基于肖特基二极管的太赫兹倍频器

太赫兹倍频器是通信、安检、雷达等系统极其重要的一环，随着二极管加工工艺的迭代及机加工工艺精度的提高，太赫兹倍频器在不断地朝着更高功率及更高频率发展。在高功率方面，可以通过不断突破单路二极管的管芯数量、增加单个二极管管芯的功率容量、利用GaN 功率材料及导热率高的介质基板抑或通过多路功率合成等技术实现。在更高频率方面，可以通过例如三次谐波倍频，采用结电容更小的二极管管芯等方式实现更高的输出频率。

目前国内外设计的倍频器均较为成熟，对于二倍频器主要电路最常见的为平衡式电路结构为主，通过输入的TE10模式及输出的准TEM 模式实现输入信号与输出信号的隔离，便于匹配电路的设计。同时利用二极管反向串联的模式，输出信号为偶次谐波分量，提高能量的利用效率。如图1 所示，2018年Jose V.Siles 团队利用新型片上功率拓扑结构，针对大功率优化了器件性能，在180GHz 设计了一款165GHz~195GHz 基于24 管芯的超大功率倍频器。其基于50um 厚的GaAs 衬底，由四路功率合成，每一路具有六个阳极结，每个阳极结的零偏压结电容约为60fF 左右。实验表明，在1500mW 以上的输入功率情况下，其最终输出达到400~500mW，效率接近25%[2]。2018年来自ACST 公司的Diego Moro-Melgar 设计了一款专门用于超高功率的基于倒装式，金刚石衬底的单路的二倍频器。其在150GHz下能承受超过400mW 的输入功率，输出功率超过140mW[3]。2020年中电十三所梁士雄团队设计一款基于GaN 二倍频器，实验结果表明在输入脉冲功率为2W 的情况下，177~183GHz 频段范围内输出功率为200~244mW，效率9.8%~11.8%[4]。

对于三倍频器件其相对更难建立，因为他们需要通过匹配电路实现输入与输出的有效隔离，滤波器的添加会很大地增加路径损耗，同时非平衡的三倍频器件由于无法对偶次谐波的抑制，会对三倍频的倍频效率有较大的影响。2007年美国VDI 公司David W.Porterfield 设计了一款220GHz 和440GHz三倍频器件，其在输入电路和直流偏置电路设计高低阻抗线构成的低通滤波器，分别防止高次谐波信号泄露到输入端和防止基波信号泄露到直流偏置端。由实际测试结果可以看到，220GHz 及440GHz 分别有23mW 和13mW 的输出功率，效率达到了16%及12%，相对带宽约为7%[5]。

1.1.2 基于肖特基二极管的太赫兹混频器

在太赫兹通信系统当中，混频器也是一类非常关键的器件，其作用是通过变频实现将太赫兹波下变频至中频抑或将中频信号上变频至太赫兹频段，混频器的变频损耗、带宽、噪声系数等性能直接决定了通信系统的传输距离及传输速率。混频器的发展目前较为成熟，有着较为固定的结构及设计流程，目前急需设计出新的电路架构及利用新型材料不断朝高频段、大带宽、低变频损耗、更低的热噪声以及更高的集成度发展。

如图2 所示，在多功能集成化方面，2018年M.J.Lancaster 团队设计了一款集成腔体滤波器的单边带290~310GHz 混频器，该器件通过集成腔体滤波器，该接收机工作频段为290~310GHz，可以对上变频后产生的下边带260~280GHz 进行有效地抑制，其在噪声温度2000K-2600K 情况下实现了边带抑制度13~25dB，混频单边带变频损耗9~10dB[6]。在更高的频段上2019年来自JPL 实验室的Jeanne Treuttel 团队设计了超过2THz 全固态低温接收机，其中，2THz 分谐波混频器采用 GaAs 单片集成工艺，将二极管集成在 GaAs 基片上，同时通过采用反向并联二极管结合直流偏置的电路形式降低本振功率需求。测试结果显示，在 150K 的低温环境下，混频器最佳噪声温度小于18,000K[7]。在大带宽方面，2020年电子科技大学的杨益林设计了一款基于220GHz单片集成混频器结构，在混频器固定中频1GHz 时，在185GHz~225GHz 频带内单边带变频损耗为7.2~ 10.5dB，双边带噪声温度在670K 到1,400K 之间[8]。

图2 太赫兹倍频器：(a)24 管芯功率合成倍频器件；(b)基于GaN 高功率二倍频器件；(c)三倍频器结构图Fig.2 Terahertz frequency multiplier: (a) 24 diodes power synthesis frequency multiplier; (b) High power frequency doubling device based on GaN; (c) Structure diagram of frequency tripler

1.2 InP、GaN 基太赫兹芯片技术

目前，实现太赫兹集成电路芯片的主要工艺路线划分为化合物和硅基工艺两大类。化合物工艺包括 GaAs 基的 mHEMT、InP 基的 HEMT/HBT 和 GaN 基的 HEMT，硅基工艺则主要包括硅 CMOS 和 SiGe/BiCMOS 工艺。

多种工艺中，InP 工艺制作的有源器件工作频率最高。如图3 所示，文献[9]报道了一款基于InP工艺的太赫兹放大芯片，工作频率达620~660GHz，小信号增益大于 26dB, 文献[10]中的太赫兹放大芯片，在1THz 的超高工作频率实现了9dB 增益。文献[11]使用了800 nm InP DHBT 技术设计了一款220~325GHz 三级并联拓扑结构的开关，平均隔离度可达到36dB，插入损耗3.8dB。文献[12]报道了一款基于25nm InP 工艺的集成化接收前端芯片，该接收机芯片工作频率为0.67THz，工作带宽超过20GHz，在一块芯片上集成了低噪声放大器、二次谐波混频器和本振18 次倍频链，是迄今为止公开报道的工作频率最高的集成化太赫兹接收机芯片。

图3 太赫兹混频器：(a)滤波集成的290~310GHz 混频器；(b)2THz 肖特基固态混频器件；(c)宽带集成接收前端Fig.3 Terahertz mixer: (a) Filter integrated 290 ~ 310ghz mixer; (b) 2THz Schottky solid state mixer; (c) Broadband integrated receiving front end

相 比InP 而言，GaAs mHEMT器件则更适合大功率的应用场景，文献[13]报道了一种四路合成四级放大的功率放大电路拓扑，其工作频率为290~330GHz， 输出功率高达8.3dBm；文献[14]报道了一种双平衡放大芯片，其工作频率为190GHz~300GHz，小信号增益为 10~20dB，在 300GHz 频点处的输出功率为4.8dBm。文献[15]利用基于SiC 衬底的氮化镓工艺制作出了一种有源单刀双掷开关，工作在D 波段，工作带宽超过35GHz，最小插入损耗为0.64 dB。文献[16]报道了工作在D 波段和G 波段的GaN 功率放大器芯片，D 波段功率放大器芯片采用4 级cascode 级联结构，在107~148GHz 频带范围内，小信号增益大于25dB，在120GHz 频点的输出功率达到26.4dBm，功率附加效率16.5%。G 波段功率放大器芯片3dB 带宽超过40GHz，小信号增益大于10dB，在181GHz 处获得最大输出功率15.8dBm，功率附加效率2.4%。

从以上结果可以看出，在III-V 族太赫兹芯片中，InP 芯片具有最高的工作频率，已达到1THz，以及最高的集成度，并且在0.67THz 已可以实现集成度较高的接收机芯片。而GaAs、GaN 工艺主要应用在高功率场合，尤其以GaN 工艺的功率性能最佳，但其工作频率还处于太赫兹低端，还需要进一步提升工作频率。未来，有望形成InP 工艺和GaN 工艺配合发展的格局。

1.3 硅基太赫兹芯片技术

图4 太赫兹InP 基芯片：(a)0.67THz InP 放大芯片；(b)1THz InP 放大芯片；(c)0.67THz 集成化接收前端InP 芯片Fig.4 Terahertz InP-based chip:(a)0.67THz InP-based amplifier chip; (b) 1THz InP-based amplifier chip;(c) 0.67THz integrated receiving InP-based chip

在硅基太赫兹芯片研究方面，基于 0.18 µm SiGe 工艺的 D 波段放大器通过增益增强和自偏置技术，其工作频率为108~121GHz，小信号增益高达 20.3dB，输出功率为 6.7dBm[17]；基于SiGe 工艺、工作频率为 183GHz 放大器的单级小信号增益高达9.5dB，饱和输出功率为-2.8dBm，3dB 带宽为8.5GHz[18]；基于 65nm CMOS 工艺的放大芯片的工作频率为 273~301GHz，峰值小信号增益高达21dB[19]。

在太赫兹系统级芯片应用方面，采用 55nm BiCMOS 工艺的收发芯片已成功应用于220GHz 高分辨率ISAR 成像系统[20]；基于InP 与CMOS 的异质集成型超外差芯片，已被用于宇航遥感监测[21]；标准CMOS 集成化芯片方面，文献[22]开发的CMOS发射机可工作于245GHz，片上实现了硅基集成的VCO 太赫兹源。基于SiGe 工艺的230GHz 通信收发芯片，其工作距离为 1m，调制方式采用16QAM，调制速率为100Gbps[23]；文献[24]报道了一款基于65 nm CMOS 工艺、覆盖242~280 GHz 频率范围的CMOS 双向相控阵收发芯片，支持16QAM 等多种调制方式，使用QPSK 调制实现通信距离2.5cm 下最大数据速率52Gb/s。文献[25]报道了采用65nm CMOS 工艺的490 GHz 全集成CMOS 接收机，电源电压1.2V，功耗32 mW，在芯片内部集成了THz 本振源，芯片采用外差式接收机结构，在1 kHz 噪声带宽下，最低可接收信号功率达到-101.3dBm。文献[26]采用了40nm CMOS 工艺实现了0.3THz 集成化收发芯片，发射部分采用四路功率合成，在265.68 GHz 频率处饱和输出功率为-1.6dBm，接收部分采用基波混频构架，最后采用16QAM 调制方式，在3 cm 的通信距离上，实现80 Gb/s 高速无线数据传输。

当下，硅基太赫兹集成电路芯片向着更高的工作频率和集成度方向发展。硅基工艺在集成度、成本方面具有巨大优势，非常适合低成本应用场合。同时，高集成度的太赫兹芯片技术将和天线等器件的集成化相互呼应，并为未来如大规模MIMO 技术在太赫兹频段的应用提供了基础。目前硅基太赫兹集成电路芯片已在300GHz 以下的太赫兹低端频率取得了长足的发展。伴随芯片工作频率的继续拓展，我们还需要解决器件模型不准确、工作频率临近器件特征频率、无源器件 Q 值下降等一系列问题。

图5 太赫兹硅基芯片：(a) D 波段SiGe 放大芯片；(b) 183GHz SiGe 放大芯片；(c) 300GHz Si CMOS 集成化收发芯片Fig.5 Terahertz Si-based chip: (a)D-band SiGe amplifier chip ; (b) 183GHz SiGe amplifier chip; (c) 300GHz Si CMOS integrated transceiver chip

2 基于芯片技术的太赫兹通信系统发展探讨

2.1 大规模频分复用

目前先进的太赫兹通信系统广泛地使用到频分的技术，包括固态电子学太赫兹系统中的频分复用方式和微波光子学太赫兹系统中的波分复用方式。

频分复用 (Frequency Division Multiplexing, FDM) 技术是指将信道传输的带宽分成多个子信道，每一个子信道分别传输一路信号。FDM 技术对于信道的复用利用率很高，划分的信道数越多，频分复用系统的通信传输速率就越高。

波分复用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM) 技术本质上是光频上的频分复用，这种方式使多种不同波长的光载波信号在同一根光纤中通过不同的光信道各自传输信息。

在固态电子学的太赫兹系统中，大规模频分复用的应用还比较困难，目前的频分通道数目并不高。文献[27]和文献[28]都在全固态电子式的太赫兹通信系统中采用了微波低频段的混频器来实现太赫兹波段的两路频分。

文献[27]介绍了一套中心频率为300GHz、传输速率为60Gbps 的固态电子式的太赫兹通信系统，使用了X 波段的混频器，将传输使用的频带拓宽到285GHz 和315GHz，上下边带带宽各为8GHz，实现两路频分的太赫兹系统。文献[28]介绍了基于220GHz 固态收发器的双载波无线通信系统，在中频电路部分使用微波混频器，实现工作频率在213.7 到219.4GHz、单路带宽为1.84GHz 的频分双路系统。该系统使用16QAM 调制实现了20 米传输速率为12.8Gbps 的实时无线传输。

上述方法采用了微波低频段的混频器来实现太赫兹波段的两路频分，从而利用太赫兹频段的带宽资源。但目前这种方式的频分通道数目较少，提升频分的通道数需要大量的滤波器、混频器、DAC 和ADC 等相关器件。

文献[29]提出了一种使用40nm CMOS 工艺制造的全固态电子式的太赫兹发射机，实现六路5GHz宽的通道，其频率范围从275GHz 到 305GHz，使用32QAM 调制方式实现了105Gbps 的传输速率。因此，这种基于CMOS 工艺的硅基太赫兹芯片能为固态电子学方法下突破频分、进行更多分路的问题提供解决方法。

微波光子学太赫兹通信系统中，大规模波分复用很容易通过光频梳获得较高通道数，能够实现100Gbps 以上的传输速率。而波分复用方式一般与其他复用方式一起使用，能够达到极高的传输速率。表1 是一些混合了波分复用和其他复用方式的太赫兹系统。

表1 几种混合波分复用和其他复用方式太赫兹系统Table 1 Several wavelength division multiplexing(WDM) and hybrid terahertz systems

2.2 大规模 MIMO 系统

MIMO 即多输入多输出技术，是指通过发射接收端布置多根天线，从而提高无线链路传输的传输效率和可靠性。它在信道容量、频谱效率和能量效率方面，较常规单发单收(SISO)技术有很大提 高[34]。同时，将该技术结合空分复用、空间分集和波束赋形等技术，可以提高数据传输速率或者空间的信号方向性。大规模MIMO 则是在此基础上，进一步显著增加天线的数量，从而可以使信道容量、空间分辨率和系统覆盖增益等得到进一步提高[35-36]。

在频谱资源更为丰富的高频段尤其是太赫兹波段，由于频率的影响会使得天线单元间距的物理尺寸缩小，那么在相同空间条件下，可布置的天线数量则会更多。同时，高频信号在传输过程的路径损耗也会更加强烈，从而让我们更为关注如何将大规模MIMO 技术和太赫兹通信技术结合，通过波束赋形提高定向覆盖增益和传输距离。综上，将大规模MIMO 技术融入太赫兹通信技术中将会为太赫兹通信发展提供更大的机会。目前，MIMO 技术可以适用到太赫兹微波光子学的系统以及太赫兹全固态混频系统中，文献[37]研究了基于石墨烯构建的1024*1024 单元的等离子体纳米天线阵列运用到1~10THz 波段大规模MIMO 系统的可能性，并且MIMO 通常和空间复用、极化复用等技术相伴使用，也可以和其他技术如智能反射面结合应用在通信系统中[38]。文献[39]将2*2MIMO 和极化复用结合，在中心频率141GHz 实现微波光子学系统352Gbps的传输速率，文献[32]利用4*4MIMO 技术，采用64QAM 调制实现1.056Tbps 的传输速率。在未来太赫兹通信系统中，大规模MIMO 的发展可以趋向于以下几方面：

2.2.1 3D 覆盖

基于波束赋型技术和深度学习技术的大规模MIMO，可以通过调整MIMO 天线的相位，从而控制天线辐射方向，实现在空间立体方位上对用户更精准的定位。未来通信是海陆空天多融合的通信网络，大规模MIOMO 可以搭载到空中无人机、卫星等实现覆盖加强。目前对移动物体的信号传输基于定点基站，传输效率不高，在装备大规模MIMO 后，通过波束赋型则可以实现跟踪移动物体并扩大跟踪距离，通过算法可以对3D 波束进行训练并加强跟踪目标，进一步提升对移动物体的信号覆盖能力[40]。

2.2.2 无蜂窝MIMO 设计

目前使用较多的蜂窝网络构架在伴随通信频率上升、使用用户增加情况下，会导致接入点或基站密度增加，从而引起小区间信号干扰，因而无蜂窝网络则会是未来MIMO 应用的主要网络架构[41]。无蜂窝大规模MIMO 通过在服务区域内分布部署大量天线，各分布的子端拥有平等的信息处理能力，不再进行集中的信息处理，缩短用户间的通信传输距离，有效提高传输效率。它兼具大规模MIMO 和分布式天线的特点，并且可以通过预编码技术有效提高信道传输质量。我们也可以引入协作多点传输技术，实现多接入点在联合处理、协助波束赋型等的合作，从而提高用户的体验质量。

2.2.3 解决通信 “最后一公里”问题

由于太赫兹信号在穿越大气、雨雾等环境的路径损耗更大，从而使得太赫兹频段的通信系统传输距离不远。但是，太赫兹利用高频率下的丰富频谱资源和大带宽、高传输速率的优势，使得将太赫兹技术运用到解决通信 “最后一公里”问题成为可能。

我们可以通过有线方式传输光纤信号，之后通过光电耦合实现有线到无线信号的转化，传输太赫兹信号到用户。利用大规模MIMO 太赫兹通信系统，结合太赫兹大带宽、高速率的信号传输优势，我们可以实现无线信号的高空间分辨率、高覆盖增益传输，从而提高“最后一公里”问题下用户的信号收发体验。其应用场景包括光纤断开情况下完成“光-电-光”紧急连接功能；光纤架设过程遇到山谷、河流情况下视距的无线传输转化连接功能；“最后一公里”基站的定向覆盖、用户高质量通信收发体验功能等。

虽然大规模MIMO 能进行低延迟远距离高精度的可靠传输，但是其依然存在一定的挑战亟待解决，如建立更准确的高频段大规模MIMO 信道模型、抗干扰的预编码算法研究和基于机器学习的精准动态且实时快速的波束赋型算法研究，这些都是未来大规模MIMO 技术可以突破的方向。

2.3 感通一体

一方面，通信与感知在系统架构、信号处理等方面均具有相似之处。另一方面，随着高速率、低延时的通信需求与高分辨率、低延时的感知需求发展，通信与感知进一步开始在频谱上出现重叠。由此，发展太赫兹感知通信一体化技术是面向未来应用的热点方向之一。

从感通融合的程度而言，该一体化技术可分为这样几个阶段：首先，通过通感不同的架构、不同信号处理模块实现功能上融合；然后，通过不同硬件架构、相同的信号处理模块实现通感融合；最终，利用通感共口径器件实现从硬件架构到信号处理的全链路融合。特别是在面向高速通信与高分辨率感知融合的太赫兹频段，通过通感共口径器件实现的全链路融合具有特别意义。这是因为，将太赫兹波段波长与器件尺寸相比拟，单一器件内的耦合、器件与器件间的耦合变得愈发剧烈且不受控制。这些耦合导致的高群延时、低平坦度、低隔离度等使高速通信信号与高分辨率感知信号迅速劣化，严重影响系统性能。由此，在全链路融合下，综合优化设计系统硬件、架构是可行的解决方案之一。

从感通融合面向的场景而言，也可分为通信辅助感知、感知辅助通信与通感融合一体化等多个方向。通信辅助感知可通过感知目标预先通信反馈部分信息给感知主题，从而有效提升感知工作范围与精度；感知辅助通信可通过对环境的预先感知，实现信道的智能规划，从而提高通信质量；通感融合一体化可实现对环境高精度实时感知与实时高速通信，在智能工厂、智能家庭、健康监测以及无人驾驶等诸多场景有广泛的应用潜力。

目前通感融合研究的热点多集中于一体化波形设计与共口径系统架构、硬件开发。对于波形一体化设计，可采用时分复用、频分复用、空分复用以及码分复用等多种波形复用方式；也可采用以感知为主的旁瓣调制、以通信为主的多子载波正交频分复用以及感通联合优化设计等多种波形共用方法。对于感通融合的系统架构设计目前并无统一标准，但可根据实现场景对其硬件需求进行初步展望。根据感通融合信号的特点，系统硬件需要实现高速信号的收发隔离，通感信号间的隔离。同时，太赫兹频段高达数十Gbps 以上的单通道信息传输速率又需要皮秒量级的群延时特性。这样，面向高速通信与高精度感知的一体化共口径器件需要满足高隔离度、低群延时等特性。此外，太赫兹波段的空间尺度效应导致的器件间耦合同样使链路内隔离度降低、群延时劣化等。由此，面向高速通信与高精度感知的一体化波形设计与系统架构、硬件开发是通感融合一体化技术的研究热点之一。

2.4 光电融合

与太赫兹源的发展历程类似，太赫兹通信也同时从载波频率由下而上的固态倍频与由上而下的光学拍频两个方向开始研究，并分别发展出全固态通信系统与微波光子学通信系统。较全固态通信系统而言，后者具有带宽利用率高、信号相位噪声低等特点。

总体来说，微波光子系统主要由光学链路与无线链路组成，如图6 所示。已调太赫兹载波的产生由光学链路完成。在光学链路中，通过对一路光信号进行调制，再使用光耦合器等使其与另一路不同频率的光信号线性叠加，最终送入光电探测器进行拍频处理，得到已调的太赫兹载波。在无线链路中，将太赫兹载波进行放大，发射处理。在具体系统架构中，可使用两台独立激光器实现两路光信号产生，也可使用光频梳等手段利用一台激光器实现。

图6 典型微波光子学系统架构Fig.6 Typical microwave photonics system architecture

随着光电探测器与数字信号处理技术的发展，微波光子学系统通过高阶正交幅度调制等调制手段，极化复用、频分复用、MIMO 等系统架构实现了通信速率的极大提升。2011年，X.Pang 等人通过PDM-16QAM方式实现了W波段87.5 GHz载波传输，通信速率达100 Gbps[42]。2013年，J.Xu 等人采用同样的方式在W 波段100 GHz 实现了432 Gbps 数据传输[43]。随着更高太赫兹载波频率与更高阶矢量调制方式的运用，J.Xu 等人再次于2018年使用PDM-64QAM 在D 波段140 GHz 实现了1.056 Tbps 数据传输[32]。同时，无线MIMO 与极化复用的结合也实现了微波光子学传输速率的提升。2013年，X.Li 等人通过80km 光纤与2 x 2MIMO 实现了W 波段100 GHz 无线载波108 Gbps 数据传播[44]。2016年，J.Xu 等同样采用结合极化复用的MIMO 架构的微波光子学系统在D 波段137.5 GHz 实现128 Gbps 数据传输[45]。此外，频分复用架构的引入，也为提高微波光子学传输速率提供了可行方案[32-33,39]。2013年，J.Xu 等通过从V 波段到D 波段的多载波频分复用结合极化复用、矢量高阶调制等实现了412 Gbps 的数据传输[46]。

另一方面，随着硅光芯片、铌酸锂薄膜材料等的发展，集成化微波光子学芯片也取得了长足进步。2016年美国加州大学已实现8*8*40Gbps(2.56Tbps)硅基集成芯片的设计制作，华为公司也实现42*28Gbps(1.2Tbps) 硅基芯片的制作。2018年，日本光电子工业和技术开发协会基于40nm 工艺设计出每平方厘米1.2Tbps 芯片。2020年英特尔公司也设计出1.6Tbps 传输速率的硅基集成电路。

近年来，随着微波光子学系统的不断发展，其应用场景亦开始逐步明朗。一方面，利用太赫兹波相较微波更大的带宽特性以承接光纤通信的高速、大容量信息传递；另一方面，利用太赫兹波长相较光波大得多的特性实现无线收发。这样的架构有利于解决如光纤通信的大规模入户、固定场景大规模用户高速入网以及传统光纤难以接入区域的最后一公里传输等痛点难点问题。但是，这样的发展趋势也对微波光子学系统的硬件发展提出了更高要求，并且主要集中于光电转换的关键器件——单行载流子光电二极管（UTC-PD）上。因受限于其实现功能的物理过程，UTC-PD 的转换效率较低，且其强烈的非线性过程不可避免造成系统质量劣化，使得高传输速率与大传输距离不可兼得。当前的主要解决方法是在链路中添加太赫兹放大器，并利用多种对信号进行处理的算法来补偿非实时的微波光子学系统，使其传输距离已突破百米量级，但仍然难以满足日益增加的应用需求。由此，发展新型的光电转化器件、设计新型的微波光子学系统架构已成为光电结合通信的热点方向之一。

2.5 极化，频分等复杂复用系统

将多种技术进行融合使用，是未来提高通信系统频谱利用率、数据传输速率和通信容量等的有效方法。现有的大规模频分复用、大规模MIMO、极化复用等技术，都可以实现在系统中的相互搭配。目前使用这种技术融合的复杂系统的主要是微波光子学系统，内容包括MIMO 和极化复用、频分复用（波分复用）和极化复用以及各类调制技术，将上述技术融合到一起构成的复杂系统。我们将现有的一些复杂复用系统展示如表2。

表2 部分复杂复用系统展示Table 2 Display of some complex multiplexing systems

在目前现有的复杂系统中，其通信速率一般超过100Gbps，甚至有的达到1Tbps 速率，还能实现低误码率的高质量通信。借助MIMO 技术能够实现信号频谱效率、能量效率的高效利用；借助极化复用能够使信号互不干扰传输，从而提高信号传输质量；利用频分复用，产生多信道进行数据传输，能够通过多通道共同传输弥补单一通道传输速率的不足。但是，我们也能看到目前现有的复杂系统通信距离仍不足以满足实际无线通信的要求，其相关指标也只能在实验室等较为理想的环境下测得，利用大规模MIMO 和大规模频分复用技术运用到系统中还不够成熟。在未来，太赫兹复杂通信系统更要沿着深度融合多种复用技术和调制技术的道路，朝着提高传输速率到Tbps、提升传输距离、降低误码率等方向，实现新架构的创新和突破。

3 总结

太赫兹通信作为备受关注的新一代高速通信领域的重要技术，在未来移动通信、空间通信等领域将扮演更多重要的角色。目前，太赫兹通信技术还在不断地成长和发展中，处于关键技术攻关和突破阶段。在未来，要实现大规模的应用并形成产业化市场，一定离不开太赫兹芯片技术和系统技术的发展。当前阶段，太赫兹射频前端器件主要以基于肖特基二极管芯片的分立器件为主，今后随着InP、GaAs 等化合物半导体工艺的不断推进，并随着我国硅基工艺的逐步发展，高性能、高可靠性的多工艺的集成电路芯片技术将会成为未来太赫兹通信技术产业化、规模化发展的基石。与此同时，伴随各种大规模复用、调制等通信技术的发展和成熟，基于芯片技术的太赫兹通信系统也将会朝着如大规模MIMO、多种复用方式结合、感通一体、光电融合等多种方向进行研究，为太赫兹通信的更大传输速率、更远传输距离等目标提供一定的解决方法和参考方向。