光子辅助的宽带太赫兹通信技术
本文总结了太赫兹通信技术在提升传输容量和延长传输距离方面的主要技术方法。通过光子辅助技术、MIMO技术、概率整形与数字信号处理相结合，实现了高容量和长距离传输。具体技术包括：光子辅助太赫兹通信、4×4 MIMO系统、概率整形技术、数字信号处理算法、空芯光纤传输、介电透镜技术等。实验结果表明，D波段下实现3.1 m的4×4 MIMO PS-64QAM信号传输速率达到1.056 Tbit/s，无太赫兹放大器的20 GBaud TPS-256QAM信号在20 km SMF-28传输，实现109.6 Gbit/s速率，通过介电透镜技术延长了传输距离至54.6 m。这些技术显著提升了无线移动数据通信性能。
摘要
首先，阐述了光子辅助宽带太赫兹通信系统的关键技术体系。其次，基于这些核心技术，系统研究团队系统地总结了相关领域的研究进展。通过这些核心技术，系统实现了单通道无线传输速率超过1\,\text{Tbit/s}，并在不依赖任何太赫兹放大器的情况下，通过无源光纤实现了100\,\text{Gbit/s}太赫兹信号的长距离无线传输，且在有线传输模式下，利用空芯光纤成功实现了超过100\,\text{Gbit/s}的太赫兹信号传输性能。最后，该系统通过空芯光纤实现了高带宽的有线传输。
关键词： 多输入多输出 ; 多维复用技术 ; 概率整形技术 ; 太赫兹空芯光纤
0****引言
随着智能终端的快速普及，无线网络用户的规模急剧扩大，这要求未来通信系统能够在复杂多变的环境下实现超高速接入。一种可行的解决方案是通过采用更高频段的载波来显著提升信道带宽，从而满足日益增长的传输需求[1]。因此，更高频段的通信技术逐渐成为高频通信的主流选择，其中最突出的代表是毫米波和太赫兹频段。与毫米波通信相比，太赫兹频段的频率范围为0.1～10太赫兹[2]，具有更宽广的频谱带宽，能够支持每秒太比特级别的数据传输速率；同时，其方向性更强，能够有效减少自由空间衍射的影响；此外，采用太赫兹技术的通信设备之间的距离可以进一步缩短，同时降低电力消耗。基于这些优势，相比毫米波通信，太赫兹频段在潜力和应用前景方面具有显著的优势[1-8]。
面对高速率通信需求的快速增长，太赫兹器件研发的显著进展推动了太赫兹无线通信技术的快速发展，如今该技术已成为全球无线通信研究领域的重点方向[3,4,5]。目前，国内太赫兹通信领域已聚集了数十家研究机构，包括电子科技大学、复旦大学等高校以及中电十三/四十一/五十四所、华为、中兴等企业的重点研发力量。其中，中国工程物理研究院的太赫兹通信研究团队在该领域取得了突破性进展，成功实现了120 GHz超10 km传输性能的显著提升[6]。
太赫兹波的频率特性优越，传输容量丰富，具备显著的信号传输优势，在无线通信领域具有广阔的前景和潜力。光纤通信能够提供传输容量巨大和传输距离远达的特点，但其移动能力有限，无法实现广泛连续覆盖[8]。理论上，太赫兹无线通信可覆盖任何区域，然而，由于频率资源受限和各种损伤的限制，其通信带宽和传输距离仍然受到制约。太赫兹通信已达到远超光纤传输速率的水平，但仅依赖带宽受限的电子设备难以实现如此超高速的无线信号传输，因此，光子辅助太赫兹技术应运而生并得到了广泛研究[7,8,9,10]。
相对于电的方式产生太赫兹信号，光子辅助技术在频率选择、信号带宽和多通道传输等方面具有显著优势。首先，该技术允许频率选择范围广达1 THz。通过调节两个泵浦激光器的频率，可以精确控制太赫兹信号的频率，理论上能够覆盖所有可用的大气传输窗口。其次，光子辅助技术能够实现超宽带太赫兹信号的产生。借助调制器等光电器件，该方法可实现带宽超过100 GHz的太赫兹信号输出。此外，该技术还具备灵活支持多载波传输的能力。通过同时支持多个光载波，光子辅助技术在多载波系统中可显著提升系统容量。同时，结合不同的调制格式，系统的灵活性得到进一步增强。最后，光子辅助技术充分利用了光纤的低衰减和大容量优势，同时结合太赫兹无线通信的灵活接入特性，成功实现了光纤与无线通信的无缝衔接，从而完成光纤和无线传输的融合。
在自由空间传输的太赫兹信号，因大气中的水汽吸收和尘埃粒子的散射作用，其传播损耗显著，难以实现长距离传输。当采用有线传输时，同轴电传输线的损耗会随着频率的提升而急剧增加，且其带宽也会受到频率相关损耗的限制。因此，采用一种能够将太赫兹波严格限制在光纤内部，从而实现低损耗、长距离、高频率传输并确保信号安全性的光纤传输系统，是一个非常有潜力的选择。在空心光纤中，太赫兹波在光纤内传播，其传播速度接近于真空状态下的传播速度，因此传输时的延迟可以得到显著降低。空气材料的低吸收特性使得其吸收的热量相对较少，从而能够支持高功率的太赫兹信号传输。由于空心光纤不含玻璃内芯，因此可以有效降低由材料引起的色散和非线性效应。一个关键的优势是，空心光纤的低损耗特性类似于空气介质的特性，这使得其在太赫兹频段内能够传输出低损耗的信号。然而，具有同样低损耗特性的固体材料在实际应用中较为罕见。综上所述，空心光纤凭借其优异的性能，在太赫兹信号传输领域展现出巨大的应用潜力。
本文旨在探讨优化太赫兹信号传输容量与延长传输距离的关键技术，并阐述采用这些技术如何带来突破性太赫兹信号无线与有线传输成果。
1****增加太赫兹传输容量的方法
在光纤通信中，实现大容量光纤传输有几种典型的技术，包括光的偏振复用[8]、多入多出结构、高阶正交幅度调制（QAM, quadrature amplitude modulation）[9]、电/光多载波调制以及先进的基于发射和接收的数字信号处理（DSP, digital signal processing）算法。先进的 DSP 算法可以补偿器件和光纤传输链路的各种线性和非线性损伤，从而提高接收机灵敏度和系统性能[10,11,12,13,14]。新兴的光子辅助太赫兹传输技术利用光纤信道的大带宽，使用光子拍频的方式生成宽带太赫兹信号，能够突破电子器件带宽的限制[15-16]。为了提升传输容量[17,18,19,20,21,22,23,24,25]，可以采用多维复用的方式，包括无线多输入多输出（MIMO, multiple-input multiple-output）与光偏振复用相结合[20-23]、天线极化复用、高电平QAM和多频段调制[24-25]等。
1.1 多维复用
多种多维复用技术的集成与协同实现，显著降低了光纤-无线集成接入系统的信号波特率，提升了传输能力。图1列举了该系统中常用的多维复用技术，包括MIMO空间复用、光偏振复用、高阶QAM调制、天线偏振复用以及多载波调制技术。
图1
图1用于光纤**-**无线集成接入系统的典型多维复用技术
- MIMO空间复用技术
天线MIMO技术通过多组发送和接收天线组别，显著提升了无线传输容量的同时，有效降低了实现该容量所需的无线发射功率。该技术还结合了空间复用、波段复用、多极化复用等多种复用策略，不仅降低了信号传输所需的波特率，还减少了对光电设备带宽的占用需求，进一步提升了接收机的灵敏度，从而实现了毫米波信号在高频率、宽谱宽下的高效传输。
MIMO空间复用技术采用了多个发射和接收天线，通过集成光学偏振复用技术，显著提升了系统传输能力。然而，这一技术的实施需要面对较为复杂的天线结构，并且每个发射天线的发射能量显著降低[26-27]。MIMO空间复用结构的示意图如图2所示。通过调节天线的数目以及发射端和接收端之间的间距，可以实现天线大小、重量和传输距离的平衡配置。
图2
图2 MIMO空间复用结构
- 光偏振复用技术
在光纤通信领域，通过光的偏振复用技术，光纤链路的传输容量得以增加一倍，这种技术是未来频谱效率提升的重要解决方案之一。在辅助光子技术的太赫兹通信系统中，偏振复用技术同样是一种有效提升系统容量的技术方案。通过偏振复用技术，太赫兹信号的空间维度得以从二维提升至三维，从而显著提升了无线传输能力。
研究如何通过多路偏振复用太赫兹信号的产生与无线传输实现FWI通信，这一课题具有重要的研究价值。单输入单输出（SISO）无线链路可用于传输单偏振太赫兹信号，相关研究可参考文献[28-32][28至32]。传输多路偏振复用的太赫兹信号则需采用基于2对天线的2×2 MIMO无线链路，相关研究可参考文献[33][33]。本文研究团队提出了一种基于光偏振复用的无线MIMO技术，用于实现偏振复用太赫兹信号的产生与传输。
图3展示了光偏振复用无线MIMO技术的工作原理。该系统由5个关键组成部分构成，包括光基带发射机、光纤链路、光外差上变频器、2×2 MIMO无线链路和无线太赫兹接收机。在光基带发射机中，通过光调制器和偏振多路复用器，实现了偏振多路复用的光基带信号的生成。光外差上变频器则负责接收光纤传输的偏振复用光基带信号。在光外差上变频器内部，两个偏振分束器和两个光耦合器协同作用，完成了对所接收的光基带信号和本振光信号的光偏振分集操作。其中，本振光信号来源于激光器2的输出。值得注意的是，在光外差上变频器中运行的激光器2与位于光发射机中的激光器1均处于自由状态，它们的频率间隔精确匹配所需的太赫兹载频。
然后，通过两个并行的光电探测器进行光电转换，其中一种可以是单端的，另一种可以是平衡的。这两个光电探测器将产生两路太赫兹电信号，可以视为一种带有偏振复用特性的太赫兹电信号。与单端光电探测器相比，采用平衡光电探测器可以有效抑制噪声，从而提高系统的稳定性。随后，利用2×2的无线MIMO链路传输多路偏振复用的太赫兹电信号。在某些特定情况下，每个接收天线能够同时接收自2个发射天线的无线功率，这可能导致无线串扰现象。在无线太赫兹接收机中，首先采用基于平衡混频器和正弦波射频信号的模拟下变频技术，将高频太赫兹信号转换为频率较低的中频信号。接着，使用双信道数字存储示波器（DSO, digital storage oscilloscope）捕获中频信号，并用于后续的离线数字信号处理。对于多路偏振复用信号，光纤链路和2×2 MIMO无线链路均可被视为2×2的模型，可用2×2的琼斯矩阵进行描述。
图3
图3光偏振复用的无线MIMO技术原理
该设备由以下部分组成：用于将I/Q调制器的输出均分到两个支路的保偏光纤分划器，以及用于实现150符号时延的单臂光时延线、用于平衡两个支路光功率的光衰减器，最后还有一个用于整合两个支路的偏振波束组合器。经过该设备处理后，可以得到一个PDM-QPSK/ PDM-16QAM/PDM-64QAM的光基带信号。需要注意的是，调制阶数的提升会增加每个符号的比特数量，从而降低所需的信号带宽效率。同时，随着调制阶数的增加，接收机的灵敏度要求也随之提高。因此，在选择最优的矢量调制方案时，需要在信号带宽效率与系统整体性能之间进行权衡。
- 多载波调制技术
本文通过引入光多载波调制技术，实现了太赫兹通信系统中无线传输容量的提升。光多载波调制技术涉及光正交频分复用（OFDM, orthogonal frequency division multiplexing）和奈奎斯特波分复用（WDM, wavelength division multiplexing）等技术手段，这些技术手段为实现光子载波的优化提供了可能。
基于集成偏振复用、无线MIMO结构和光多载波调制技术的光子辅助太赫兹系统工作原理，如图4所示。该系统能够实现多载波偏振复用太赫兹信号的产生和无线传输。
- 天线偏振复用技术
为提升无线传输能力，本文引入了天线偏振复用技术到所提出的太赫兹通信系统中。该系统综合采用了偏振复用技术、无线MIMO技术、多载波调制技术以及天线偏振复用技术，其原理如图5所示。以双路波分复用信号为例，在光外差上变频器中，首先通过波长选择开关（WSS）将信道1和信道2的信号分开。经光外差上变频处理后，太赫兹载波上同时携带信道1和信道2的信号。随后，采用两对水平偏振天线发射信道1的信号，另选两对垂直偏振天线发射信道2的信号。本文将其天线结构定义为基于天线偏振复用的结构。
图4
**图4整合偏振复用技术、无线MIMO架构以及光多载波调制技术的光子辅助太赫兹系统原理
图5
图5创新性地融合了极化复用技术、无线MIMO技术、多载波调制技术以及天线极化复用技术，构建了基于光子辅助的太赫兹系统原理。
采用天线偏振复用技术，可进一步提高无线通信容量，但需要双倍数量的光电器件。进一步地，针对一个典型的喇叭天线，垂直偏振和水平偏振之间的隔离度超过33 dB。从而，采用天线偏振复用技术可有效抑制信道1和信道2之间的无线干扰。
对于基于空间复用、太赫兹频带复用、天线偏振复用等多维复用技术的大容量光纤-无线集成系统，进一步优化其天线结构设计，以实现多维复用技术的完全集成。在天线结构设计的天线偏振复用阶段，可增加交叉偏振鉴别技术，对天线结构参数进行系统性优化，以降低传播路径对发射信号的去偏振效应。
1.2 结合概率整形技术的高阶QAM
高阶QAM技术广泛应用于光纤传输系统和光子辅助太赫兹系统研究领域，主要通过提升传输性能以实现更高的数据传输速率和更高效的光谱利用。由于目前高频太赫兹频段的功率放大器技术尚不成熟，基于功率受限的光纤信道或无线太赫兹信道往往会导致高电平QAM信号传输距离或传输容量的限制。概率整形（PS, probabilistic shaping）作为一种新型的编码调制方案，近年来成为研究热点，其显著的优势在于无需增加发射功率到光纤或无线信道，即可在一定传输距离内提升容量或延长高阶QAM信号的传输距离[34-35]。
2****延长太赫兹传输距离的方法
在大容量太赫兹信号传输领域，可以通过光子辅助方法实现太赫兹信号的生成，这种技术具有较好的集成性。此外，多维复用方式的结合使用，包括MIMO空间复用技术、光的偏振复用技术、多载波调制技术以及天线偏振复用技术，能够增加信号维度，显著提升传输容量。高阶QAM技术由于其固有的高频谱效率，也能很好地提升系统容量，然而，高阶QAM技术外围的信号容易受到信道中非线性失真影响，因此，将概率整形技术与高阶QAM技术相结合，能够有效降低非线性失真程度。先进的数字信号处理技术也显著提升了传输容量和传输距离。
在延长太赫兹通信距离方面，其中一种有效的方法是采用低阶QAM调制方案，因其对信噪比要求相对较低。此外，还可以采用高增益天线、大增益电放大器、太赫兹有线传输技术以及先进数字信号处理算法，尤其是概率整形技术，以有效延长传输距离。
2.1 多频段太赫兹信号产生和传输
通过多频段复用技术，可以有效减少单频段信号的传输速率，从而降低系统中光电器件所占有的频率带宽范围，同时提升系统的传输效率和延长传输距离。因此，多频段信号在太赫兹领域的研究逐渐受到广泛关注。
2.2 先进数字信号处理算法
如前所述，光通信技术的应用领域涵盖了光辅助技术、多维复用技术以及高阶QAM技术等，这些技术手段均能有效降低无线太赫兹通信系统的传输波特率，从而显著提升传输容量，满足大规模光纤传输的需求。在光纤-无线集成系统中，高性能数字信号处理器（DSP）扮演着关键角色，它能够有效减轻或补偿由于组件和传输链路不完善所带来的各种线性与非线性损伤，从而显著提升系统性能。在相关差分检测系统中，结合先进的DSP算法能够实现对多维多电平太赫兹信号的有效检测，从而在保证系统性能的同时显著降低系统复杂度。
与先进数字信号处理技术相结合的外差相干检测系统，其简化结构如图6所示。外差相干检测由于不依赖于光相位分集技术，因此可以将2个偏振分束器和2个90°光混频器的组合结构简化为2个偏振分束器和2个光耦合器。通过减少平衡光电探测器和模数转换器的数量，其数量可以减少一半，这是因为每个偏振分量（X偏振或Y偏振）的同相分量（I）和正交分量（Q）在光偏振分集后仍然保持合并状态，从而只剩下2个独立的信号支路。显然，这种简化的外差相干检测结构在硬件效率方面显著优于传统设计。此外，得益于可用的高速宽带平衡光电探测器和模数转换器，中频信号的下变频过程以及I路和Q路信号成分的分离可以通过离线数字信号处理技术实现，从而进一步提升了系统的整体性能。
对于光载太赫兹PDM-QPSK调制信号，基于外差相关技术的离线数字信号处理流程主要包括中频信号下变频、色散特性补偿（CD，chromatic dispersion）、恒模算法（CMA，constant modulus algorithm）均衡处理、载波恢复模块、差分解码模块以及误码率（BER，bit error ratio）计算[36]。具体实现示例如图7所示。
3速率超1 Tbit/s****太赫兹信号传输
本文团队采用了概率整形的高级QAM、极化复用的MIMO、预均衡、多载波复用技术，并通过光子辅助手段，在D波段实现了矢量太赫兹信号无线传输的速率突破，达到1.056 Tbit/s[37]。实验系统中采用了124.5 GHz和150.5 GHz两种不同的D波段太赫兹载波频率，这些频率完美契合D波段系统的可扩展频段（124～152 GHz）。通过远光程外差技术，实验系统成功生成了两个双副载波矢量太赫兹信号，最终实现了1.056 Tbit/s的数据传输容量。
图6
图6与先进DSP相结合的外差相干检测的简化结构
图7
图7基于外差检测和离线DSP的宽带无线接收机实例
如图8所示，该实验装置实现了速率超过1 Tbit/s的光子辅助D波段矢量太赫兹信号传输。该系统支持4×4 MIMO技术，其无线通信距离达到3.1米。在光发射端模块中，激光器1至激光器4用于提供光载波，其中激光器5和6分别作为无线发射端的本振光源。在光发射端模块中，激光器1和3生成的连续光波（分别标记为信道1和信道3）通过保偏光纤耦合器耦合后，经I/Q调制器调制为24 GBaud的六电平电信号，并通过保偏掺铒光纤放大器放大，最后由偏振复用器复用，形成双通道的光PDM-64QAM-PS5.5信号，其信道间隔为275 GHz（由124.5 GHz和150.5 GHz组成）。同样地，激光器2和4生成的连续光波（分别标记为信道2和信道4）经过相同的处理流程，生成另一个具有275 GHz信道间隔的双通道光PDM-64QAM-PS5.5信号。每个24 GBaud的六电平驱动电信号均采用64QAM-PS5.5调制，并通过最优预失真技术进行增强。
采用保偏光纤耦合器将两个双通道PDM-64QAM-PS5.5光信号进行耦合，通过2.9 dBm的光功率将组合光信号从光发射端发送至无线发射端，在单模光纤中，信号传输长度超过10 km。
图8
图8速率超1 Tbit/s的光子辅助D波段矢量太赫兹信号传输的实验装置
在无线发射端，接收的光信号经过一个可编程波长选择开关（WSS, wavelength selective switch），随后被分割为两个双副载波光信号组，即包括信道1和信道2在内的双副载波光信号组，以及包括信道3和信道4在内的双副载波光信号组。经过偏振控制器（PC, polarization controller）处理后，包括信道1和信道2（或信道3和信道4）在内的双副载波光信号组随后通过光的偏振分集操作。然后，生成的X偏振和Y偏振双副载波太赫兹信号经过两组并行的掺铒光纤放大器的放大处理，通过两组并行的偏振控制器进行进一步处理，最后经由两个D波段的光电探测器转换为两个双副载波太赫兹信号，这种信号可以被看作是采用PDM-64QAM-PS5.5调制的双副载波电太赫兹信号，其两个太赫兹载波频率分别为124.5 GHz和150.5 GHz。从工作波长的角度来看，本振光源，即激光器5或激光器6，位于信道1和信道4（或信道2和信道3）的中心位置。
生成了两个双副载波电太赫兹信号，通过一个3.1米长的4×4 MIMOD波段无线太赫兹传输链路进行传输。该传输链路由四个并行设置的无线传输链路组成。水平方向的双D波段喇叭天线对负责传输信道1和信道2的双副载波电太赫兹信号，而垂直方向的双D波段喇叭天线对则用于传输信道3和信道4的信号。通过4组透镜对太赫兹信号进行聚焦，以确保接收端能够获得最大化的无线功率。
在无线接收端，首先采用4个并联的D波段混频器对接收的2个双副载波太赫兹信号进行模拟下变频。接着，下变频后的双副载波中频信号分别携带12.5 GHz和38.5 GHz的副载波频率，通过4个并联的功率放大器进行增强。最后一步，通过数字存储示波器的4个采样率为160 GSa/s的模数转换器组同时捕获2个下变频后的双副载波中频信号。
本文对4×4 MIMO无线通信系统中同时传输两个双副载波PDM-64QAM-5.5调制的矢量太赫兹信号的误码性能进行了评估，如图9(a)所示。该系统中传输的两个双副载波PDM-64QAM-PS5.5调制的矢量太赫兹信号具有总传输波特率为24×2×2=96 GBaud，总传输比特率为96×5.5×2=1.056 Tbit/s，可实现超过3.1米的无线传输距离，其误码性能低于SD-FEC阈值4×10-2。捕获的X偏振双副载波中频信号波形如图9(b)所示，其对应于信道1和信道2的输入功率值为10.5 dBm。本研究证实了太赫兹信号在大容量传输方面的可行性。
图9
图9实验结果 4****太赫兹空芯光纤传输
太赫兹空芯光纤是一种新型的高效传输媒介，主要由空心基板和具有高反射性能的金属镀层构成[38]。该光纤在可见光、远红外及太赫兹波段等宽波长范围内展现出低损耗特性，其每米损耗降至低于1 dB。最近，本研究团队实现了光子辅助太赫兹波通信系统中325 GHz太赫兹信号在1 m太赫兹空芯光纤上的有线传输[39]。通过采用32 GBaud PS-4096QAM信号，成功实现了净比特率高达275.2 Gbit/s的太赫兹有线传输，其频谱效率（SE, spectrum efficiency）达到8.6 bit/(s·Hz)。实验结果验证了太赫兹空芯光纤作为高速传输介质的潜力。
4.1 太赫兹空芯光纤传输实验装置
该研究在光子辅助太赫兹通信系统中成功实现了325 GHz的32 GBaud PS QAM信号在1米空芯光纤上的传输，如图10所示。一个UTC-PD用于产生325 GHz 太赫兹信号，随后通过1米太赫兹空芯光纤进行有线传输。聚碳酸酯管被选作太赫兹空芯光纤的中空基材，以提供所需的柔韧性和弯曲能力。内金属镀层采用银膜材质，厚度达到0.3微米。此外，该太赫兹空芯光纤的内径为3.6毫米，300 GHz频段的线性传输损耗为1.33 dB/m。
在接收端装置，空芯光纤传输后的太赫兹信号被喇叭型天线接收。如图10(b)所示，在发射器和接收器的位置上，2个天线平行地安置于同一方向。中空光纤弯曲排列并精确地插入两根天线之间，以确保太赫兹信号在中空光纤中传输无泄漏现象。
在32 GBaud PS-4096QAM太赫兹信号的有线传输系统中，PS-4096QAM信号产生框架如图11(a)所示。该系统中，进入PD的32 GBaud PS-4096QAM光信号的光谱图如图11(b)所示，在325 GHz中心频率处，该系统在17 GHz接收端，17 GHz处接收的IF信号的电频谱图如图11(c)所示。
4.2 太赫兹空芯光纤实验结果
图12展示了不同调制级别的32 GBaud PS-256QAM、PS-1024QAM和PS-4096QAM信号在BtB传输模式下，通过1米空心光纤传输后的NGMI测量值与进入PD的输入功率之间的关系曲线。
在BtB场景下，PS-256QAM和PS-1024QAM信号的NGMI测量值均高于0.83-NGMI LDPC阈值。当PS-4096QAM信号的输入功率达到10 dBm时，其NGMI均值高于0.83-NGMI LDPC阈值。值得注意的是，与BtB情况相比，通过1米空芯光纤传输后，进入PD的功率损失约为0.5 dB。基于0.83-NGMI LDPC阈值，PS-4096QAM信号经过1米空芯光纤传输后进入PD所需的功率提升至10.5 dBm，而PS-1024QAM信号在0.83-NGMI阈值下进入PD所需的功率为8.6 dBm。图13分别展示了16 GBaud 64QAM和PS-256QAM信号的电频谱特性。
图10
图10在1 m太赫兹空芯光纤上传输的实验装置
图11
图11 32-GBaud PS-4096QAM太赫兹信号有线传输原理
图12
图12 3种PS-QAM格式的NGMI测量值与进入PD的功率的关系
图13
图13 16 GBaud 64QAM和PS-256QAM信号的电频谱 5****宽带太赫兹信号长距离传输
在太赫兹系统中，既要实现高速传输速率，又要提升传输距离的能力，仍然面临诸多技术挑战[40,41,42,43]。本研究团队提出了一种无需依赖太赫兹放大器的创新技术，能够在保持高速传输速率的同时，显著提升传输距离[44]。与现有太赫兹长距离传输实验不同，本研究突破性地采用了新型介电透镜和先进的DSP算法，成功实现了远超54.6米的无线传输距离，净数据传输速率达到109.6 Gbit/s。这一成果突破了传统单通道太赫兹传输的局限性，在不依赖任何太赫兹放大器的前提下，实现了最高净传输速率和最远无线传输距离，为实现更远距离的太赫兹通信奠定了坚实的技术基础。
图14展示了太赫兹系统的实验装置。在光发射器端部，部署了两台运行自由的激光器ECL1和ECL2，用于产生连续波长光波。它们之间的间距设定为340 GHz。随后，ECL1输出的激光信号被用于控制I/Q调制器，该设备具备2.3 V的半波电压调节范围和30 GHz的3 dB带宽特性。在发射端，OFDM信号的生成过程包括M-QAM符号的生成、S/P转换、添加训练序列、N点快速傅里叶逆变换、添加循环前缀、P/S转换等步骤。此外，使用频率设定为64 GSa/s的波形发生器（AWG），实现了数字信号到模拟信号的转换。在双电放大器（EA）的辅助下，I通道和Q通道的基带OFDM信号被加载到I/Q调制器，随后I/Q调制器的输出信号经过保偏掺铒光纤放大器（PM-EDFA）进行放大。PM-EDFA与ECL2的输出信号通过保偏光纤耦合器（PM-OC）耦合，形成一个总输出端。图15显示了频谱测量结果，其中两个光载波之间的频率间隔为340 GHz。
图14
图14太赫兹系统的实验装置
图15
图15频谱测量结果
PM-OC系统输出信号通过20公里单模光纤28号（SMF-28）进行传输。随后，系统采用掺铒光纤放大器（EDFA, Erbium doped fiber amplifier）进行功率损耗补偿。接着，信号经过偏振控制器完成偏振调节，最终进入无线集成光混频器模块（即AIPM），并被转换为电太赫兹信号。
太赫兹电信号通过AIPM输出，经由54.6米长的无线链路传输。在无线传输过程中，通过一对平凸透镜对太赫兹光束进行准直，从而最大限度地提升接收端接收到的无线信号功率。这些介电透镜在520 GHz频段展现出介电常数约为1.96的低介电特性，同时具有折射率约为1.4的光学性能。值得注意的是，这些透镜在0.1至2太赫兹的频段范围内展现出良好的性能，尤其是在频带边缘，其性能下降较小。此外，这些透镜在广泛的频率范围内均具备卓越的聚焦功能。其中，透镜1专门用于准直来自点源的太赫兹波，其直径和焦距参数分别为10厘米和20厘米。而透镜2则用于将准直后的光束聚焦至后焦点，其直径和焦距参数分别为30厘米和50厘米。
在接收端，透镜2的焦点附近布置了一个喇叭天线（HA, horn antenna），用于接收THz电磁波。通过次谐波肖特基混频器将THz电磁波进行下变频处理。该混频器由16倍频的正弦电波源驱动，其工作频率为20.625 GHz。从而，IMAMC所需驱动的频率为16倍频乘以20.625 GHz，即330 GHz。输出的中频信号频率为10 GHz，随后经过EA放大器放大，最后被DSO捕获。DSO的3 dB带宽为33 GHz。后续的离线DSP处理与上述实验基本一致。
本文探讨了不同调制格式的20 GBaud OFDM信号在系统传输后对NGMI性能的影响。在不同调制格式下，20 GBaud OFDM信号的NGMI性能与AIPM或UTC-PD的输入功率之间的关系，如图16所示，该测量未涉及光纤传输。传输的OFDM信号采用TPS-256QAM的调制格式。AIPM输入功率的测量范围为9至14 dBm，该范围内的值通过AIPM之前的EDFA调整而确定。研究发现，在固定调制格式时，随着AIPM输入功率的增加，NGMI性能逐渐得到优化。图16中的插图展示了AIPM输入功率为14 dBm时，20 GBaud信号在TPS-256QAM格式下传输后恢复的星座图。高达20 GBaud的340 GHz TPS-256QAM信号可在54.6 m无线距离内传输，并满足10%的FEC开销。
图16
该研究通过图形16展示了多种调制格式下20GBaud OFDM信号的NGMI与AIPM或UTC-PD输入功率的相互关系。第6点结束语
本文介绍了提高太赫兹通信系统容量与传输距离的技术方案。这些技术在传输容量和传输距离方面均取得显著进展。通过本研究，我们实现了D波段（110～170 GHz）4×4 MIMO PS-64QAM太赫兹信号的无线传输，其传输距离达到3.1米，总比特率达到1.056 Tbit/s。在该系统中，采用了先进的数字信号处理技术，包括概率整形和预失真处理。通过1米空芯光纤的实验，我们证明了325 GHz 32-GBaud PS-4096 QAM太赫兹信号的有线传输能力。借助PS技术和先进DSP技术的应用，成功实现了频谱效率高达8.6 bit/(s·Hz)的275.2 Gbit/s传输速率。在国际上，我们团队实验性地实现了无太赫兹放大器的高速光子辅助无线集成系统，其中109.6 Gbit/s的TPS-256QAM信号通过20公里SMF-28光纤传输。基于一对合适介电透镜和先进DSP技术的配合，实现了超过54.6米的无线传输距离。这一创新成果显著提升了无线移动数据通信性能，延长了传输距离，并实现了传输容量的提升。下一步研究目标是实现超过1 Tbit/s速率的太赫兹信号在千米级别距离内的长距离传输。