太赫兹通信芯片关键技术与系统发展浅析
太赫兹通信作为新一代高速通信技术，凭借其宽带、高效率和大带宽的特点，在移动通信、空间通信等领域具有重要应用潜力。其核心技术包括太赫兹芯片、大规模MIMO技术、复杂复用系统等。太赫兹芯片主要基于InP、GaAs等半导体工艺，性能逐步提升，集成度和可靠性显著提高。同时，大规模MIMO技术通过波束赋型和空间分复用，进一步提升通信效率和覆盖距离。复杂复用系统结合MIMO、极化复用、频分复用等技术，实现高速率、长距离传输。未来，太赫兹通信将朝着高速率、远距离、低误码率方向发展，推动其在智能终端、自动驾驶等领域的广泛应用。
摘要
目的
目的
方法
结果
结论
目的
关键词：
0****前言
太赫兹通信涵盖载波频率在0.1至10太赫兹（THz）区间内的通信技术手段。由于太赫兹波的特殊频谱位置，该技术展现出显著的优势，既具备红外和可见光通信的宽频段特点，又继承了微波和无线电通信的无线传输能力。其显著特点包括频谱资源丰富、传输容量大以及通信隐私性高等。在云计算、物联网和移动互联网快速发展的背景下，通信需求急剧上升，而现有无线通信频段资源日益紧张，导致通信容量与业务需求之间的矛盾愈发突出，因此亟需开发基于全新频谱的高速通信技术。
基于官方会议WRC-2019的明确划分，275296GHz、306313GHz、318333GHz、356450GHz被正式确认为4个全球标识的移动业务频段[1]，太赫兹通信被视为未来6G的关键潜在技术之一。系列6G白皮书专门将太赫兹通信列为关键技术。此外，太赫兹通信在科学技术研究领域和产业领域受到了高度关注。
在太赫兹通信的关键技术领域中，芯片技术占据核心地位，无论是分立器件还是集成电路，都必须依赖于高性能太赫兹芯片技术的发展。从当前太赫兹通信核心关键器件的发展情况来看，无论是基于二极管技术衍生的太赫兹倍频、混频等分立器件，还是基于InP、GaN-HEMT、HBT的太赫兹低噪放大器和功放芯片技术，亦或是拓展硅基工艺的集成电路芯片，都已成为集成化与小型化太赫兹通信技术发展的必备条件。伴随器件的不断小型化，诸如天线的大规模多入多出（MIMO）等技术也随之得以更好地应用于太赫兹通信系统的发展。本文旨在探讨基于二极管芯片的分立器件技术及相关芯片和通信系统技术的发展动态，以期为我国太赫兹通信技术的进步提供参考。
如图1所示，目前，太赫兹芯片的工艺主要包括InP、GaAs、GaN以及硅基CMOS四种技术。其中，InP器件在频率和集成度方面均表现优异。相比之下，GaAs和GaN器件更适合应用于大功率的太赫兹器件，而硅基CMOS则具有低成本和高集成度的优势。
图1
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具有特殊的吸收特性，导致大气层内的太赫兹无线通信系统难以实现远程应用。为此，现有太赫兹通信技术主要应用于3公里以内的场景，包括大规模数据传输、固定无线接入以及短距离数据中心通信等实际应用。在空间通信领域，太赫兹技术具备更远距离传输的优势，因此在空间互联网、小卫星群通信等场景中展现出重要应用价值。无论是在地面还是在空间，太赫兹通信技术的发展都离不开半导体芯片的支持。本文将重点围绕以下三个技术方向展开论述：（1）基于二极管芯片的太赫兹分立器件；（2）InP和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
太赫兹倍频器在通信、安检和雷达等系统中扮演着至关重要的角色。随着二极管加工工艺的迭代以及机加工工艺精度的提升，太赫兹倍频器不断向着更高功率和更高频率的方向演进。在高功率方面，通过持续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、采用GaN功率材料及导热率高的介质基板，或通过多路功率合成等技术，均能够实现显著的功率提升。在高频率方面，通过采用结电容更小的二极管管芯、优化三次谐波倍频方案等方式，可以有效提升输出频率。
目前国内外设计的倍频器较为完善，其中二倍频器的主要电路结构多以平衡式电路为主，通过输入的TE10模式和输出的准TEM模式实现输入信号与输出信号的隔离，从而便于匹配电路的设计。此外，采用二极管反向串联的模式，可以使输出信号主要呈现偶次谐波分量，从而提高能量利用率。如图1所示，2018年Jose V. Siles团队通过创新的片上功率拓扑结构，在180GHz频段开发了一款165GHz195GHz的超大功率倍频器，该设备基于180μm厚的GaAs衬底，采用四路功率合成结构，每一路配置了6个阳极结，每个阳极结的零偏压结电容约为60fF。实验数据显示，当输入功率超过1500mW时，输出功率稳定在400500mW范围，效率可达25%[2]。在同一时期，ACST公司Diego Moro-Melgar团队开发了一款基于倒装式金刚石衬底的单路二倍频器，该设备在150GHz频段可承受超过400mW的输入功率，输出功率则超过140mW[3]。2020年，中电十三所梁士雄团队在GaN基二倍频器的研发中取得突破，实验结果表明，当输入脉冲功率达到2W时，在177183GHz频段内输出功率维持在200244mW，效率达到9.8%~11.8%[4]。
对于三倍频器件而言，其较为困难地建立，这主要是因为它们需要通过匹配电路来实现输入与输出的有效隔离。滤波器的添加会显著增加信号传输损耗。此外，非平衡的三倍频器件由于无法有效抑制偶次谐波，因此会对三倍频的倍频效率造成显著影响。2007年，美国VDI公司David W. Porterfield设计了一款220GHz和440GHz的三倍频器件。在输入电路和直流偏置电路设计中，他分别采用高低阻抗线构成的低通滤波器，用于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。测试结果表明，220GHz和440GHz分别具有23mW和13mW的输出功率，其效率分别达到16%和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
在太赫兹通信系统中，混频器作为一类核心组件，其主要功能是通过变频技术将太赫兹波下变频至中频段或中频信号上变频至太赫兹频段。混频器的性能参数，包括变频损耗、带宽、噪声系数等，直接影响通信系统的传输距离和传输速率。就目前的发展情况来看，混频器已经形成了较为成熟的技术体系，具备固定的结构和设计流程。然而，为了满足日益增长的通信需求，亟需开发新型的电路架构，并通过引入新型材料，进一步提升其频率范围、带宽、变频损耗、热噪声以及集成度。
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290310GHz混频器,该器件通过集成腔体滤波器,该接收机工作频段为290310GHz,可以对上变频后产生的下边带260280GHz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1325dB,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185GHz225GHz频带内单边带变频损耗为7.210.5dB,双边带噪声温度在670K到1,400K之间[8]。
图2
图2太赫兹倍频器：(a)基于24管芯的功率合成倍频器件；(b)采用GaN材料的高功率二倍频器件；(c)三倍频器结构示意图
Fig.2 Terahertz frequency multiplier: (a) 24个二极管实现功率综合的频率乘器；(b) 基于氮化镓的高强度频率倍增装置；(c) 频率三倍器的工作原理图；
1.2 InP、GaN基太赫兹芯片技术
目前，化合物和硅基两种工艺路线是实现太赫兹集成电路芯片的主要技术路线。在化合物工艺方面，主要涵盖GaAs基的mHEMT、InP基的HEMT/HBT以及GaN基的HEMT技术；而硅基工艺则主要涵盖硅CMOS工艺和SiGe/BiCMOS工艺。
多种工艺中，以InP工艺制作的有源器件具有最高的工作频率。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，其工作频率达到620至660 GHz，小信号增益超过26 dB。文献[10]中报道的太赫兹放大芯片，在1 THz的超高工作频率上实现了9 dB的增益。文献[11]通过采用800 nm InP DHBT技术，设计了一款220至325 GHz的三级并联拓扑结构开关，其平均隔离度可达36 dB，插入损耗为3.8 dB。文献[12]报道了一款基于25 nm InP工艺的集成化接收前端芯片，该接收机芯片的工作频率为0.67 THz，工作带宽超过20 GHz，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，目前公开报道的集成化太赫兹接收机芯片中工作频率最高。
图3
图3 太赫兹混频器：(a) 290至310 GHz的集成滤波器；(b) 2太赫兹的肖特基固态混频器件；(c) 集成式宽带接收前端。
图3 Terahertz mixer: (a) Built-in filter covering 290 to 310 GHz; (b) 2THz Schottky solid-state mixer; (c) Broadband integrated receiving front-end
与InP材料相比，GaAs mHEMT器件更适合应用于大功率场景。研究[13]报道了一种基于四路合成四级放大的功率放大电路拓扑，其工作频率范围为290~330 GHz，输出功率高达8.3 dBm。研究[14]则开发了一种双平衡放大芯片，其工作频率覆盖190 GHz至300 GHz区间，同时实现了10~20 dB的小信号增益，并在300 GHz频点上实现了4.8 dBm的输出功率。研究[15]通过采用SiC衬底上的氮化镓工艺，成功制备出一种具有主动单刀双掷开关特性的器件，其工作频率为D波段，覆盖超过35 GHz的宽工作带宽，同时保持了0.64 dB的最小插入损耗。研究[16]则聚焦于D波段和G波段的GaN功率放大器芯片设计，其中D波段芯片采用4级cascode级联结构，在107~148 GHz频段内实现了超过25 dB的小信号增益，并在120 GHz频点上输出功率达到26.4 dBm，同时获得了16.5%的功率附加效率。G波段功率放大器芯片则展现出超过40 GHz的3 dB带宽，在181 GHz频点上实现了15.8 dBm的最大输出功率，同时保持了2.4%的功率附加效率。
从实验结果分析可知，在III-V族太赫兹芯片领域，InP芯片在工作频率方面表现最佳，可实现1THz的频率输出，同时在集成度方面也表现优异，可实现较高集成度的接收机芯片。相比之下，GaAs和GaN工艺主要用于高功率场景，其中，GaN工艺在功率性能方面表现更为突出，但其工作频率仍处于太赫兹低端区域，仍需进一步提升。展望未来，InP工艺与GaN工艺有望实现协同发展。
1.3 硅基太赫兹芯片技术
在硅基太赫兹芯片领域，采用0.18 µm SiGe 工艺的D波段放大器通过增益的增强和自偏置技术应用，实现了工作频率范围为108~121GHz，小信号增益值高达20.3dB，输出功率值为6.7dBm[17]。同时，基于SiGe工艺设计的单级放大器，其工作频率达到183GHz，具有小信号增益值为9.5dB、饱和输出功率值为-2.8dBm以及3dB带宽值为8.5GHz的性能特征[18]。此外，采用65nm CMOS工艺的放大芯片，其工作频率范围为273~301GHz，峰值小信号增益值达到了21dB[19]。
图4
图4中的太赫兹InP基芯片：(a)该InP基放大芯片工作在0.67THz频段；(b)该InP基放大芯片工作在1THz频段；(c)该InP基集成化接收前端芯片工作在0.67THz频段。
图4 Terahertz InP基底芯片：(a)采用InP材料的0.67THz放大器芯片；(b)采用InP材料的1THz放大器芯片；(c)采用InP材料的0.67THz集成接收芯片
在太赫兹系统级芯片应用方面，基于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]。在标准CMOS集成化芯片领域，文献[22]开发的CMOS发射机可工作于245GHz，其片上硅基集成的VCO太赫兹源实现了良好的性能。基于SiGe工艺的230GHz通信收发芯片，其工作距离达到1米，采用16QAM调制方式，调制速率为100Gbps[23]。文献[24]报道了一款基于65 nm CMOS工艺的双向相控阵收发芯片，覆盖242~280 GHz频率范围，支持16QAM等多种调制方式，采用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工艺的全集成CMOS接收机，其电源电压为1.2V，功耗为32 mW，在芯片内部集成了THz本振源，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，在265.68 GHz频率处，发射部分采用四路功率合成，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。
硅基太赫兹集成电路芯片正朝着更高工作频率和更高集成度的方向稳步发展。硅基工艺在集成度和成本方面展现出显著优势，尤其适合低成本的应用场景。高集成度的太赫兹芯片技术将与天线等器件的集成化相互呼应，同时为大规模MIMO技术在太赫兹频段的应用奠定了基础。目前，硅基太赫兹集成电路芯片在300GHz以下的太赫兹低端频率上实现了长足的发展。随着芯片工作频率的持续扩展，我们仍需解决器件模型不准确、工作频率接近器件特征频率以及无源器件Q值下降等问题。
图5
图5部分展示了太赫兹硅基芯片系统：(a) D波段的SiGe放大芯片组件;(b) 183GHz级的SiGe放大芯片组件;(c) 300GHz级的Si CMOS集成化收发芯片组件。
Fig.5 Terahertz Si-based chip: (a) D-band SiGe-based amplifying module device; (b) 183GHz SiGe-based amplifying module device; (c) 300GHz Si-based CMOS integrated transceivers device
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
当前先进的太赫兹通信系统广泛采用频分技术，其中，固态电子学太赫兹系统采用频分复用方式，而微波光子学太赫兹系统采用波分复用方式。
频分复用 (Frequency Division Multiplexing, FDM) 技术是一种将信道传输带宽划分为多个子信道的技术体系，每个子信道独立传输多路信号的技术方案。该技术体系在信道复用方面表现出显著优势，随着子信道数量的增加，频分复用系统的通信传输速率随之提升。
波分复用技术（Wavelength Division Multiplexing, WDM）本质上属于光频上的频率分复用技术，其核心机制是通过将多种不同波长的光载波信号在同一根光纤中各自通过不同的光信道传输信息，从而实现光纤中的高效信息传递。
在固态电子学的太赫兹系统中，大规模频分复用的应用仍显受限，目前频分通道的数量仍相对有限。文献[27]与文献[28]均在全固态电子式太赫兹通信系统中采用了微波低频段的混频器，成功实现了两路频分。
文献[27]对一种中心频率为300GHz、传输速率为60Gbps的固态电子式太赫兹通信系统进行了详细阐述，该系统采用X波段的混频器组件进行信号处理，成功将工作频带扩展至285GHz至315GHz范围，实现了上下边带各8GHz的宽 bandwidth，从而完成了两路频分复用的太赫兹通信系统。文献[28]则介绍了基于220GHz固态收发器的双载波无线通信系统，在中频电路中采用了微波混频器技术，实现了工作频率在213.7GHz至219.4GHz之间动态调节，单路传输带宽达1.84GHz，通过16QAM调制技术实现了20米距离内的实时无线传输速率为12.8Gbps的通信性能。
该方法采用了微波低频段的混频器，以实现了太赫兹波段的两路频分，从而有效利用了该频段的带宽资源。然而，目前该方法的频分通道数量较为有限，要提高频分通道数，需要大量滤波器、混频器、DAC和ADC等相关组件的支持。
文献[29]报道了一种基于40nm CMOS工艺实现的全固态太赫兹发射系统，该系统支持6路5GHz频段的通信，覆盖275-305GHz的工作频率范围。通过32QAM调制技术，实现了高达105Gbps的数据传输速率。该硅基太赫兹芯片基于CMOS工艺，为固态电子学提供了突破频分、实现多路通信的技术解决方案。
在微波光子学太赫兹通信系统中，大规模波分复用较为容易通过光频梳技术获得较多的通道数，并可达到100Gbps以上的传输速率。同时，波分复用方式常与其他复用技术配合使用，同样能够实现极高的传输速率。表1列举了部分融合了波分复用与其他复用技术的太赫兹通信系统。
表1几种混合波分复用和其他复用方式太赫兹系统
表1几种基于波分复用技术(WDM)和混合型太赫兹系统的方案
| 时间 | 系统类型 | 中心频率 | 通信速率**/Gbps** | 通道数 | 其他复用方式 | 参考文献 |
|---|
| 2013 | 微波光子学 | 225GHz、237.5GHz
250GHz | 100 | 3 | \ | [30] |
|2016|微波光子学|300-500GHz（间隔25GHz）|160|8||[31]|
|---|---|---|---|---|---|---|
|2020|微波光子学|320GHz、380GHz|600|2|PDM|[33]|
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2.2 大规模 MIMO系统
MIMO是一种多输入多输出技术，其核心在于通过多根天线的布置，显著提升了无线链路传输的效率和可靠性。与传统单发单收(SISO)技术相比，MIMO在信道容量、频谱效率和能量效率方面均展现出显著优势[34]。此外，结合空分复用、空间分集和波束赋形等技术，MIMO系统能够进一步优化数据传输性能，提升传输速率并增强信号方向性。在这一基础上，大规模MIMO技术通过大量增加天线数量，不仅显著提升了信道容量，还进一步提高了空间分辨率和系统覆盖范围[35,36]。
在高频段尤其是太赫兹波段的频谱资源更加丰富的情况下，天线单元的物理间距会因频率的影响而显著减小。因此，在相同的空间条件下，可以布置的天线数量将相应增加。然而，高频信号在传输过程中会经历更强的路径损耗，这促使我们更加关注如何将大规模MIMO技术与太赫兹通信技术相结合。通过波束赋形技术，可以有效提升方向性覆盖增益和传输距离。综上所述，将大规模MIMO技术融入太赫兹通信系统将为该领域的发展带来更广阔的应用前景。目前，MIMO技术已被成功应用于太赫兹微波光子学系统和太赫兹全固态混频系统中。文献[37]探讨了基于石墨烯构建的等离子体纳米天线阵列在1~10THz波段大规模MIMO系统中的潜在应用。此外，MIMO技术通常与空间复用、极化复用等技术协同工作，还可以与其他技术如智能反射面相结合，以提升通信系统的性能。文献[38]通过将2×2MIMO技术与极化复用相结合，在141GHz中心频率实现了352Gbps的微波光子学传输速率。文献[32]则利用4×4MIMO技术，结合64QAM调制方式实现了1.056Tbps的传输速率。展望未来，大规模MIMO技术在太赫兹通信系统中的发展可以朝着以下几个方向推进：
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主要通过调节MIMO天线的相位进而实现对天线辐射方向的精确控制从而在空间立体方位上实现对用户更精准的定位。未来通信网络是海陆空天多领域融合的系统大规模MIMO技术则可以集成到空中无人机卫星等设备上从而实现覆盖范围的增强。目前而言对移动物体的信号传输主要依赖于定点基站由于其传输效率较低因此在大规模MIMO技术部署后借助波束赋型技术可以实现对移动物体的实时跟踪并显著扩大定位范围。同时利用算法对3D波束进行训练可以进一步提高对移动物体信号的覆盖能力参考文献40
2.2.2无蜂窝MIMO设计
当前广泛使用的蜂窝网络架构在通信频率提升和用户数量增加的背景下，会导致接入点或基站密度的增加，从而引发小区间内的信号干扰。因此，无蜂窝网络将成为未来MIMO技术的主要应用架构[41]。无蜂窝大规模MIMO技术通过在服务区域内广泛布置大量天线，让各分布端点具备平等的信息处理能力，不再集中进行信息处理，降低用户间的通信传输距离，从而显著提升传输效率。该技术集 advantages of 大规模MIMO和分布式天线的特点，并且可以通过预编码技术显著提升信道传输质量。另外一种方法是引入协作多点传输技术，通过多接入点的协同处理和协助波束赋型等手段，进一步提升用户体验。
2.2.3 解决通信 “最后一公里”问题
在穿越大气层及雨雾等复杂介质时，太赫兹信号的损耗显著增加，从而使得基于太赫兹频段的通信系统传输距离相对有限。然而，太赫兹技术凭借其高频率特性，不仅拥有丰富的频谱资源，还能够实现大带宽和高传输速率，这使得将其应用于解决通信“最后一公里”问题成为可能。
光纤信号可通过有线传输方式实现，随后借助光电耦合技术，将有线传输的光纤信号转换为无线信号，同时将太赫兹信号发送至用户端。基于大规模MIMO技术在太赫兹频段的优势，结合其高带宽和高传输速率的特点，本系统可实现用户端信号的高空间分辨率和高覆盖增益传输，从而有效解决"最后一公里"通信质量不佳的问题，显著提升用户的通信收发体验。在实际应用场景中，该系统可实现以下功能：在光纤中断情况下完成"光-电-光"快速连接；在光纤架设受自然地形限制的情况下，实现视距范围内的无线信号传输连接；以及为"最后一公里"基站提供定向覆盖支持，确保用户获得高质量的通信服务。
尽管大规模MIMO能够实现低延迟、远距离和高精度的可靠传输，但其仍面临诸多亟待解决的挑战。这些挑战主要包括：开发精确的高频段大规模MIMO信道模型，完善抗干扰预编码算法的研究，以及探索基于机器学习的动态且实时快速的波束赋型算法。这些技术突破将为大规模MIMO技术的进一步发展提供关键支撑。
2.3 感通一体
就感知与通信在系统架构、信号处理等方面都展现出相似特征。与此同时，随着通信需求向高速率、低延迟方向发展，感知需求向高分辨率、低延迟方向发展，通信与感知在频谱领域逐渐重叠。由此可知，发展太赫兹感知通信一体化技术是未来应用的重要方向之一。
就感通融合的程度而言，该一体化技术划分为几个阶段：首先，通过通感采用不同架构、不同信号处理模块实现功能上的融合；然后，通过不同硬件架构、相同信号处理模块实现通感的融合；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，因为将太赫兹波段波长与器件尺寸进行比较，会发现单一器件内的耦合以及器件间的耦合愈发剧烈且难以控制。这些耦合导致的高群延时、低平坦度、低隔离度等问题，使得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。因此，通过综合优化设计系统硬件架构，可获得可行的解决方案。
从感通融合的场景来看，可以具体可分为通信辅助感知、感知辅助通信以及通感融合一体化等多个维度。在通信辅助感知方面，可以通过感知目标预先发送通信反馈信息给感知主体，从而显著提升了感知的范围和精度；在感知辅助通信方面，通过对环境的预先感知，实现了信道的智能规划，从而显著提升了通信质量；在通感融合一体化方面，能够实现对环境的高精度实时感知与实时高速通信，这种技术在智能工厂、智能家庭、健康监测以及无人驾驶等领域具有广泛的应用潜力。
当前通感融合研究的热点集中于一体化波形设计与共口径系统架构、硬件开发。在波形一体化设计方面，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；同时，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，目前尚未有统一的标准体系，但基于实际应用场景的需求分析，初步评估硬件配置方案。在通感融合信号特性基础上，系统硬件需实现高速信号的收发隔离、通感信号间的隔离处理。此外，由于太赫兹频段传输的单通道信息量高达数十Gbps以上，要求系统具备皮秒量级的群延时特性。因此，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、低群延时等技术指标。同时，太赫兹波段的空间尺度效应导致的器件间耦合，使得系统内部的隔离度和群延时性能相应降低。由此可知，一体化波形设计与系统架构、硬件开发是推动通感融合技术发展的关键技术方向之一。
2.4 光电融合
如同太赫兹源的发展历程，太赫兹通信也从固态倍频和光学拍频两个研究方向展开，分别发展出全固态通信系统和微波光子学通信系统。相较于全固态通信系统而言，后者具有带宽利用率高且信号相位噪声较低的特点。
从整体来看，微波光子系统主要由光学链路和无线链路两部分构成，如图6所示。光学链路负责产生已调太赫兹载波。在光学链路中，通过对一路光信号进行调制，再使用光耦合器等设备使其与另一路不同频率的光信号进行叠加处理，最终将叠加后的信号输入光电探测器进行拍频处理，从而实现已调太赫兹载波的生成。在无线链路中，对太赫兹载波进行放大和发射处理。在具体的系统架构设计中，可以使用两台独立激光器分别产生两路光信号，或者采用光频梳技术，通过一台激光器实现多路光信号的产生。
图6
图6典型微波光子学系统架构
Fig.6 Typical microwave photonics system architecture
随着光电探测器技术和数字信号处理的进步，微波光子学系统通过高阶正交幅度调制等技术手段，结合极化复用、频分复用、MIMO等多种系统架构，显著提升了通信速率。2011年，X. Pang团队采用PDM-16QAM技术实现了W波段87.5 GHz载波的100 Gbps传输，而2013年，该团队进一步通过同样的技术在W波段100 GHz实现了432 Gbps的数据传输。随着更高频率和更复杂的矢量调制技术的应用，2018年，J. Xu团队在D波段140 GHz实现了1.056 Tbps的传输速率。此外，无线MIMO技术和极化复用的结合，也为传输速率的提升提供了新的途径。2013年，X. Li团队通过80公里光纤和2×2 MIMO架构实现了W波段100 GHz无线载波的108 Gbps传播。2016年，J. Xu团队采用结合极化复用的MIMO架构，在D波段137.5 GHz实现了128 Gbps的数据传输。引入频分复用架构，为提高微波光子学传输速率提供了可行的技术方案[32-33,39]。2013年，J. Xu团队通过多载波频分复用技术，结合极化复用、矢量高阶调制等手段，实现了高达412 Gbps的数据传输。
随着硅光芯片、铌酸锂薄膜材料等技术的不断进步，集成化微波光子学芯片取得了显著的进步。2016年，美国加州大学成功实现了8×8×40Gbps（2.56Tbps）的硅基集成芯片设计与制造。华为公司则实现了42×28Gbps（1.2Tbps）的硅基芯片制造。2018年，日本光电子工业和技术开发协会基于40nm工艺开发出每平方厘米1.2Tbps的芯片。2020年，英特尔公司成功设计出1.6Tbps的硅基集成电路。
近年来，微波光子学系统经历了一次重要的演进，其应用场景逐渐变得清晰。一方面，基于太赫兹波相较于微波更宽广的带宽特性，光纤通信的高速、大容量信息传递得以实现；另一方面，利用太赫兹波较长的波长特性，实现了无线收发功能。这种架构设计在解决光纤通信大规模入户、固定场景大规模用户高速入网以及传统光纤最后一公里传输等痛点方面展现出显著优势。然而，这一发展趋势对微波光子学系统的硬件发展提出了更高的要求，主要集中在光电转换的关键器件——单行载流子光电二极管（UTC-PD）上。由于UTC-PD的转换效率相对较低，且其复杂的非线性特性不可避免地导致系统性能下降，因此在高传输速率与大传输距离之间难以实现最佳平衡。为此，研究者们提出了一种解决方案，即在微波光子学通信链路中引入太赫兹放大器，并通过多种信号处理算法补偿系统的非实时性，从而实现了传输距离突破百米量级的目标。尽管这一进展在一定程度上满足了现有应用需求，但面对日益增长的应用场景，这一技术仍显不足。因此，开发新型光电转化器件、设计新型微波光子学系统架构已成为当前光电结合通信领域的研究热点。
2.5 极化,频分等复杂复用系统
通过融合多种技术手段，有效提升通信系统频谱利用率、数据传输速率和通信容量等性能水平。现有技术如大规模频分复用、大规模MIMO、极化复用等,均能在系统中实现相互结合。目前,采用技术融合构建的复杂系统主要集中在微波光子学领域,涵盖MIMO技术与极化复用、频分复用（包括波分复用）以及各类调制方式的结合。将这些技术整合后构建的复杂系统,其性能表现将得到显著提升。具体应用案例可参考表2中的详细说明。
表2部分复杂复用系统展示
Table 2 Display of some complex multiplexing systems
| 时间 | 系统类型 | 系统技术特点 | 中心频率**/GHz** | 通信速率**/Gbps** | 通信距离**/m** | BER | 参考文献 |
|---|
| 2017年份 | 微波光子学 | 双输入双输出MIMO技术结合PDM和16进制CAP技术 | 0.2 | | [39] |
| 2019年份 | 微波光子学 | 基于4×4MIMO、PDM、频分复用、功率控制技术与64QAM调制 | 124.5至150.5 GHz | 1056 | [32] |
| 2020年份 | 微波光子学 | 基于PDM、OFDM、功率控制技术与64QAM调制 | 320至380 GHz | 600 | [33] |
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在当前复杂的系统环境中，通信速率通常超过100Gbps，部分系统甚至达到1Tbps水平，同时能够维持低误码率的高质量通信。MIMO技术的应用能够显著提升信号频谱效率和能量效率；通过极化复用技术，可以实现信号的互不干扰传输，从而提升信号传输质量；频分复用技术则允许建立多信道实现数据传输，多信道的共同传输有助于弥补单一通道传输速率的不足。然而，现有复杂系统在通信距离方面仍存在局限性，其相关性能指标主要在理想环境如实验室中进行评估，大规模MIMO技术和大规模频分复用技术的实际应用仍需进一步完善。展望未来，太赫兹复杂通信系统的发展需要沿着多种复用技术和调制技术深度融合的道路，朝着提升传输速率至Tbps、扩大传输距离和降低误码率等目标迈进，以实现通信系统架构的创新突破。
3****总结
太赫兹通信作为高速通信领域的重要技术，在未来将发挥更加关键的作用，特别是在移动通信、空间通信等更多领域都将得到广泛应用。目前，太赫兹通信技术正处于成长和发展阶段，仍需在关键技术攻关和突破方面继续努力。要实现其大规模应用并形成产业化市场，离不开太赫兹芯片技术和系统技术的持续发展。当前阶段，太赫兹射频前端器件主要采用基于肖特基二极管芯片的分立器件，未来随着InP、GaAs等化合物半导体工艺的不断推进，以及我国硅基工艺的逐步发展，高性能、高可靠性的多工艺集成电路芯片技术将成为未来太赫兹通信技术产业化发展的基础。与此同时，伴随大规模复用、调制等技术的不断发展和完善，基于芯片技术的太赫兹通信系统也将朝着大规模MIMO、多种复用方式结合、感通一体、光电融合等方向深入研究，为实现更高传输速率、更远传输距离等目标提供技术支持和研究方向。