首次通过太赫兹多路复用器传输数据比当今最好的传输速度快100倍

发布时间：2020-04-27 13:01:04 【来源：】

多路复用(通过单个通道发送多个信号的能力)是任何语音或数据通信系统的基本特征。一个国际研究团队首次展示了一种对太赫兹波，高频辐射上承载的数据进行多路复用的方法，该方法可以实现下一代超高带宽无线网络。

在《自然通讯》杂志上，研究人员报告了通过太赫兹多路复用器以每秒50吉比特的总数据速率传输两个实时视频信号的能力，这大约是当今最快的蜂窝网络的最佳数据速率的100倍。

布朗工程学院的教授，该论文的通讯作者丹尼尔·米特尔曼说：“我们证明，我们可以在太赫兹波上以极高的速度和极低的错误率传输单独的数据流。”“这是任何人第一次使用实际数据来表征太赫兹多路复用系统，我们的结果表明，我们的方法在未来的太赫兹无线网络中可能是可行的。”

当前的语音和数据网络使用微波来无线传输信号。但是对数据传输的需求正在迅速变得超出微波网络所能应付的范围。太赫兹波具有比微波更高的频率，因此具有更大的数据传输能力。但是，科学家们才刚刚开始进行太赫兹频率的实验，而太赫兹通信所需的许多基本组件还不存在。

用于复用和解复用的系统(也称为复用器/解复用器)是那些基本组件之一。这项技术可以使一根电缆传送多个电视频道，或者允许数百个用户访问无线Wi-Fi网络。

Mittleman和他的同事开发的复用/解复用方法使用两个彼此平行放置的金属板形成波导。其中一块板上切有一条缝。当太赫兹波穿过波导时，一些辐射会从缝隙中泄漏出来。辐射束逸出的角度取决于波的频率。

Mittleman说：“我们可以将数个不同频率的波放入波导中，每个波都携带一个数据流，它们不会互相干扰，因为它们是不同的频率;这是多路复用的。”“这些频率中的每一个都以不同的角度泄漏出缝隙，从而分离出数据流;这就是多路分解。”

由于太赫兹波的性质，太赫兹通信网络中的信号将作为定向波束而不是像现有无线系统中的全向广播那样传播。传播角度和频率之间的这种方向关系是在太赫兹系统中启用多路复用/多路分解的关键。位于特定位置(因此与多路复用系统成特定角度)的用户将在特定频率上进行通信。

2015年，Mittleman的实验室首次发表了一篇描述其波导概念的论文。对于最初的工作，该团队使用宽带太赫兹光源来确认确实以不同角度从设备发出了不同的频率。

Mittleman说，虽然这是有效的概念证明，但这项最新工作迈出了用真实数据测试设备的关键步骤。

研究人员与法国里尔大学(CNRS)/法国里尔大学电子技术与纳米技术研究所的纪尧姆·杜古瑙(Guillaume Ducournau)合作，将两个高清电视广播编码为两种不同频率的太赫兹波：264.7 GHz和322.5 GHz。然后，他们将两个频率一起发射到多路复用器系统中，并设置了电视接收机以检测从设备中出现的信号。当研究人员将接收器对准发射264.7 GHz波的角度时，他们看到了第一个通道。当他们对准322.5 GHz时，他们看到了第二个。

进一步的实验表明，传输速度高达每秒10吉比特，没有错误，这比当今的标准Wi-Fi速度要快得多。当速度提高到每秒50吉比特(每通道25吉比特)时，错误率有所提高，但是仍然处于可以使用前向纠错(在当今的通信网络中普遍使用)校正的范围内。

除了证明该设备可以正常工作外，米特尔曼还说，这项研究还揭示了有关在太赫兹波上传输数据的一些令人惊讶的细节。当对太赫兹波进行调制以对数据进行编码时(意味着打开和关闭以使其为零和一)，主波会伴随着边带频率，接收器也必须检测到边带频率才能传输所有数据。研究表明，检测器相对于边带的角度对于降低误码率很重要。

“如果角度稍微偏离一点，我们可能会检测到信号的全功率，但是我们接收到的一个边带要好于另一个边带，这会增加错误率。”Mittleman解释道。“所以正确的角度很重要。”

Mittleman说，当需要开始为完整的太赫兹数据系统设计架构时，诸如此类的基本细节至关重要。“这是我们没想到的，它显示了使用数据而不只是未调制的辐射源来表征这些系统的重要性。”

研究人员计划继续开发这种和其他太赫兹组件。Mittleman最近获得了FCC的许可，可以在布朗大学校园内以太赫兹频率进行户外测试。

Mittleman说：“我们认为我们拥有FCC当前颁发的最高频率许可证，我们希望这表明该机构已开始认真考虑太赫兹通信。”“在监管机构做出认真努力为特定用途分配频段之前，公司将不愿开发太赫兹技术，因此这是朝正确方向迈出的一步。”

这项工作得到了美国国家科学基金会，美国陆军研究办公室，WM凯克基金会以及法国法新社的支持，并获得了COM'TONIQ和TERALINKS研究拨款，并在CPER“社会光子学”的框架下开发在上法兰西地区。

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