太赫茲通信芯片關鍵技術與系統發展淺析

曹浩一，董亞洲，王正，寇偉，張倩玉，童欽文，楊自強，2，龔森，2，曾泓鑫，張雅鑫，2＊

1.電子科技大學，四川 成都 611731

2.電子科技大學長三角研究院(湖州)，浙江 湖州 313099

前 言

太赫茲通信泛指載波頻率位于太赫茲波段（0.1-10THz）的通信技術手段，由于太赫茲波的特殊頻譜位置，太赫茲通信既具有紅外、可見光的大帶寬特點，又具備微波無線電的無線傳輸能力，其特點可歸結為頻譜資源豐富、大容量、私密性好等。隨著云計算、物聯網、移動互聯網的崛起，使得通信業務量急劇增加，在現有無線通信頻段資源日趨緊張的形勢下，通信容量與業務需求矛盾不斷地加劇，因此迫切需要發展以太赫茲頻段為代表的基于全新頻譜的高速通信技術。

隨著WRC-2019 會議正式確定275~296GHz、306~313GHz、318~333GHz、356~450GHz 為4 個 全球標識的移動業務頻段[1]，太赫茲通信成為了未來6G 關鍵潛在技術之一。系列性的6G 白皮書均將太赫茲通信列為了關鍵技術。同時，太赫茲通信也得到了科學技術研究領域和產業領域的高度關注。

在太赫茲通信諸多核心關鍵技術中，芯片技術是核心，無論是分立器件還是集成電路都離不開高性能太赫茲芯片技術的發展。從目前太赫茲通信需求的核心關鍵器件發展看，無論是由二極管技術衍生的太赫茲倍頻、混頻等分立器件，由InP、GaNHEMT、HBT 發展的太赫茲低噪放、功放芯片技術，還是由硅基工藝拓展的集成電路芯片都成為了集成化、小型化太赫茲通信技術發展的前提，并且伴隨器件的小型化，更多的技術如天線的大規模多入多出(MIMO)技術也能更好地為太赫茲通信系統的發展提供方向。本文根據太赫茲發展需求，淺析了相關基于二極管芯片的分立器件技術以及相關芯片和通信系統技術的發展，希望拋磚引玉，通過不斷的探討與研究，促進我國太赫茲通信技術的發展。

如圖1 所示，目前太赫茲芯片的工藝主要包含InP、GaAs、GaN 和硅基CMOS。在這些技術中，InP 器件的工作頻率最高，并且有最高的集成度。相比而言，GaAs 和GaN 器件更適合于大功率太赫茲器件，而硅基CMOS則具有低成本、高集成度的優勢。

圖1 太赫茲芯片Fig.1 Terahertz chips

1 太赫茲通信關鍵芯片及器件技術 探討

由于大氣對太赫茲波的吸收特性，大氣層內太赫茲無線通信系統難以實現遠距離應用，因此現有的太赫茲通信技術的應用主要集中于3 公里以內的適用場景，包括大容量無線數據回傳、固定無線接入、短距離無線數據中心數據交互以及高速數據亭信息下載等。在大氣層外，空間通信中，太赫茲通信能面向更遠距離進行大容量數據傳輸，因此在空間互聯網、小衛星群通信等場景下具有重要應用。無論地面還是空間太赫茲通信，均需要基于半導體芯片的太赫茲器件的發展，本文總體將相關內容歸納為以下幾個方面進行談論：（1）基于二極管芯片的太赫茲分立器件；（2）InP、GaN 基芯片技術；（3）硅基集成電路芯片技術。

1.1 基于二極管芯片的太赫茲分立器件的探討

1.1.1 基于肖特基二極管的太赫茲倍頻器

太赫茲倍頻器是通信、安檢、雷達等系統極其重要的一環，隨著二極管加工工藝的迭代及機加工工藝精度的提高，太赫茲倍頻器在不斷地朝著更高功率及更高頻率發展。在高功率方面，可以通過不斷突破單路二極管的管芯數量、增加單個二極管管芯的功率容量、利用GaN 功率材料及導熱率高的介質基板抑或通過多路功率合成等技術實現。在更高頻率方面，可以通過例如三次諧波倍頻，采用結電容更小的二極管管芯等方式實現更高的輸出頻率。

目前國內外設計的倍頻器均較為成熟，對于二倍頻器主要電路最常見的為平衡式電路結構為主，通過輸入的TE10模式及輸出的準TEM 模式實現輸入信號與輸出信號的隔離，便于匹配電路的設計。同時利用二極管反向串聯的模式，輸出信號為偶次諧波分量，提高能量的利用效率。如圖1 所示，2018年Jose V.Siles 團隊利用新型片上功率拓撲結構，針對大功率優化了器件性能，在180GHz 設計了一款165GHz~195GHz 基于24 管芯的超大功率倍頻器。其基于50um 厚的GaAs 襯底，由四路功率合成，每一路具有六個陽極結，每個陽極結的零偏壓結電容約為60fF 左右。實驗表明，在1500mW 以上的輸入功率情況下，其最終輸出達到400~500mW，效率接近25%[2]。2018年來自ACST 公司的Diego Moro-Melgar 設計了一款專門用于超高功率的基于倒裝式，金剛石襯底的單路的二倍頻器。其在150GHz下能承受超過400mW 的輸入功率，輸出功率超過140mW[3]。2020年中電十三所梁士雄團隊設計一款基于GaN 二倍頻器，實驗結果表明在輸入脈沖功率為2W 的情況下，177~183GHz 頻段范圍內輸出功率為200~244mW，效率9.8%~11.8%[4]。

對于三倍頻器件其相對更難建立，因為他們需要通過匹配電路實現輸入與輸出的有效隔離，濾波器的添加會很大地增加路徑損耗，同時非平衡的三倍頻器件由于無法對偶次諧波的抑制，會對三倍頻的倍頻效率有較大的影響。2007年美國VDI 公司David W.Porterfield 設計了一款220GHz 和440GHz三倍頻器件，其在輸入電路和直流偏置電路設計高低阻抗線構成的低通濾波器，分別防止高次諧波信號泄露到輸入端和防止基波信號泄露到直流偏置端。由實際測試結果可以看到，220GHz 及440GHz 分別有23mW 和13mW 的輸出功率，效率達到了16%及12%，相對帶寬約為7%[5]。

1.1.2 基于肖特基二極管的太赫茲混頻器

在太赫茲通信系統當中，混頻器也是一類非常關鍵的器件，其作用是通過變頻實現將太赫茲波下變頻至中頻抑或將中頻信號上變頻至太赫茲頻段，混頻器的變頻損耗、帶寬、噪聲系數等性能直接決定了通信系統的傳輸距離及傳輸速率。混頻器的發展目前較為成熟，有著較為固定的結構及設計流程，目前急需設計出新的電路架構及利用新型材料不斷朝高頻段、大帶寬、低變頻損耗、更低的熱噪聲以及更高的集成度發展。

如圖2 所示，在多功能集成化方面，2018年M.J.Lancaster 團隊設計了一款集成腔體濾波器的單邊帶290~310GHz 混頻器，該器件通過集成腔體濾波器，該接收機工作頻段為290~310GHz，可以對上變頻后產生的下邊帶260~280GHz 進行有效地抑制，其在噪聲溫度2000K-2600K 情況下實現了邊帶抑制度13~25dB，混頻單邊帶變頻損耗9~10dB[6]。在更高的頻段上2019年來自JPL 實驗室的Jeanne Treuttel 團隊設計了超過2THz 全固態低溫接收機，其中，2THz 分諧波混頻器采用 GaAs 單片集成工藝，將二極管集成在 GaAs 基片上，同時通過采用反向并聯二極管結合直流偏置的電路形式降低本振功率需求。測試結果顯示，在 150K 的低溫環境下，混頻器最佳噪聲溫度小于18,000K[7]。在大帶寬方面，2020年電子科技大學的楊益林設計了一款基于220GHz單片集成混頻器結構，在混頻器固定中頻1GHz 時，在185GHz~225GHz 頻帶內單邊帶變頻損耗為7.2~ 10.5dB，雙邊帶噪聲溫度在670K 到1,400K 之間[8]。

圖2 太赫茲倍頻器：(a)24 管芯功率合成倍頻器件；(b)基于GaN 高功率二倍頻器件；(c)三倍頻器結構圖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 基太赫茲芯片技術

目前，實現太赫茲集成電路芯片的主要工藝路線劃分為化合物和硅基工藝兩大類。化合物工藝包括 GaAs 基的 mHEMT、InP 基的 HEMT/HBT 和 GaN 基的 HEMT，硅基工藝則主要包括硅 CMOS 和 SiGe/BiCMOS 工藝。

多種工藝中，InP 工藝制作的有源器件工作頻率最高。如圖3 所示，文獻[9]報道了一款基于InP工藝的太赫茲放大芯片，工作頻率達620~660GHz，小信號增益大于 26dB, 文獻[10]中的太赫茲放大芯片，在1THz 的超高工作頻率實現了9dB 增益。文獻[11]使用了800 nm InP DHBT 技術設計了一款220~325GHz 三級并聯拓撲結構的開關，平均隔離度可達到36dB，插入損耗3.8dB。文獻[12]報道了一款基于25nm InP 工藝的集成化接收前端芯片，該接收機芯片工作頻率為0.67THz，工作帶寬超過20GHz，在一塊芯片上集成了低噪聲放大器、二次諧波混頻器和本振18 次倍頻鏈，是迄今為止公開報道的工作頻率最高的集成化太赫茲接收機芯片。

圖3 太赫茲混頻器：(a)濾波集成的290~310GHz 混頻器；(b)2THz 肖特基固態混頻器件；(c)寬帶集成接收前端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器件則更適合大功率的應用場景，文獻[13]報道了一種四路合成四級放大的功率放大電路拓撲，其工作頻率為290~330GHz， 輸出功率高達8.3dBm；文獻[14]報道了一種雙平衡放大芯片，其工作頻率為190GHz~300GHz，小信號增益為 10~20dB，在 300GHz 頻點處的輸出功率為4.8dBm。文獻[15]利用基于SiC 襯底的氮化鎵工藝制作出了一種有源單刀雙擲開關，工作在D 波段，工作帶寬超過35GHz，最小插入損耗為0.64 dB。文獻[16]報道了工作在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 級cascode 級聯結構，在107~148GHz 頻帶范圍內，小信號增益大于25dB，在120GHz 頻點的輸出功率達到26.4dBm，功率附加效率16.5%。G 波段功率放大器芯片3dB 帶寬超過40GHz，小信號增益大于10dB，在181GHz 處獲得最大輸出功率15.8dBm，功率附加效率2.4%。

從以上結果可以看出，在III-V 族太赫茲芯片中，InP 芯片具有最高的工作頻率，已達到1THz，以及最高的集成度，并且在0.67THz 已可以實現集成度較高的接收機芯片。而GaAs、GaN 工藝主要應用在高功率場合，尤其以GaN 工藝的功率性能最佳，但其工作頻率還處于太赫茲低端，還需要進一步提升工作頻率。未來，有望形成InP 工藝和GaN 工藝配合發展的格局。

1.3 硅基太赫茲芯片技術

圖4 太赫茲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

在硅基太赫茲芯片研究方面，基于 0.18 μm SiGe 工藝的 D 波段放大器通過增益增強和自偏置技術，其工作頻率為108~121GHz，小信號增益高達 20.3dB，輸出功率為 6.7dBm[17]；基于SiGe 工藝、工作頻率為 183GHz 放大器的單級小信號增益高達9.5dB，飽和輸出功率為-2.8dBm，3dB 帶寬為8.5GHz[18]；基于 65nm CMOS 工藝的放大芯片的工作頻率為 273~301GHz，峰值小信號增益高達21dB[19]。

在太赫茲系統級芯片應用方面，采用 55nm BiCMOS 工藝的收發芯片已成功應用于220GHz 高分辨率ISAR 成像系統[20]；基于InP 與CMOS 的異質集成型超外差芯片，已被用于宇航遙感監測[21]；標準CMOS 集成化芯片方面，文獻[22]開發的CMOS發射機可工作于245GHz，片上實現了硅基集成的VCO 太赫茲源。基于SiGe 工藝的230GHz 通信收發芯片，其工作距離為 1m，調制方式采用16QAM，調制速率為100Gbps[23]；文獻[24]報道了一款基于65 nm CMOS 工藝、覆蓋242~280 GHz 頻率范圍的CMOS 雙向相控陣收發芯片，支持16QAM 等多種調制方式，使用QPSK 調制實現通信距離2.5cm 下最大數據速率52Gb/s。文獻[25]報道了采用65nm CMOS 工藝的490 GHz 全集成CMOS 接收機，電源電壓1.2V，功耗32 mW，在芯片內部集成了THz 本振源，芯片采用外差式接收機結構，在1 kHz 噪聲帶寬下，最低可接收信號功率達到-101.3dBm。文獻[26]采用了40nm CMOS 工藝實現了0.3THz 集成化收發芯片，發射部分采用四路功率合成，在265.68 GHz 頻率處飽和輸出功率為-1.6dBm，接收部分采用基波混頻構架，最后采用16QAM 調制方式，在3 cm 的通信距離上，實現80 Gb/s 高速無線數據傳輸。

當下，硅基太赫茲集成電路芯片向著更高的工作頻率和集成度方向發展。硅基工藝在集成度、成本方面具有巨大優勢，非常適合低成本應用場合。同時，高集成度的太赫茲芯片技術將和天線等器件的集成化相互呼應，并為未來如大規模MIMO 技術在太赫茲頻段的應用提供了基礎。目前硅基太赫茲集成電路芯片已在300GHz 以下的太赫茲低端頻率取得了長足的發展。伴隨芯片工作頻率的繼續拓展，我們還需要解決器件模型不準確、工作頻率臨近器件特征頻率、無源器件 Q 值下降等一系列問題。

圖5 太赫茲硅基芯片：(a) D 波段SiGe 放大芯片；(b) 183GHz SiGe 放大芯片；(c) 300GHz Si CMOS 集成化收發芯片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 基于芯片技術的太赫茲通信系統發展探討

2.1 大規模頻分復用

目前先進的太赫茲通信系統廣泛地使用到頻分的技術，包括固態電子學太赫茲系統中的頻分復用方式和微波光子學太赫茲系統中的波分復用方式。

頻分復用 (Frequency Division Multiplexing, FDM) 技術是指將信道傳輸的帶寬分成多個子信道，每一個子信道分別傳輸一路信號。FDM 技術對于信道的復用利用率很高，劃分的信道數越多，頻分復用系統的通信傳輸速率就越高。

波分復用 (Wavelength Division Multiplexing, WDM) 技術本質上是光頻上的頻分復用，這種方式使多種不同波長的光載波信號在同一根光纖中通過不同的光信道各自傳輸信息。

在固態電子學的太赫茲系統中，大規模頻分復用的應用還比較困難，目前的頻分通道數目并不高。文獻[27]和文獻[28]都在全固態電子式的太赫茲通信系統中采用了微波低頻段的混頻器來實現太赫茲波段的兩路頻分。

文獻[27]介紹了一套中心頻率為300GHz、傳輸速率為60Gbps 的固態電子式的太赫茲通信系統，使用了X 波段的混頻器，將傳輸使用的頻帶拓寬到285GHz 和315GHz，上下邊帶帶寬各為8GHz，實現兩路頻分的太赫茲系統。文獻[28]介紹了基于220GHz 固態收發器的雙載波無線通信系統，在中頻電路部分使用微波混頻器，實現工作頻率在213.7 到219.4GHz、單路帶寬為1.84GHz 的頻分雙路系統。該系統使用16QAM 調制實現了20 米傳輸速率為12.8Gbps 的實時無線傳輸。

上述方法采用了微波低頻段的混頻器來實現太赫茲波段的兩路頻分，從而利用太赫茲頻段的帶寬資源。但目前這種方式的頻分通道數目較少，提升頻分的通道數需要大量的濾波器、混頻器、DAC 和ADC 等相關器件。

文獻[29]提出了一種使用40nm CMOS 工藝制造的全固態電子式的太赫茲發射機，實現六路5GHz寬的通道，其頻率范圍從275GHz 到 305GHz，使用32QAM 調制方式實現了105Gbps 的傳輸速率。因此，這種基于CMOS 工藝的硅基太赫茲芯片能為固態電子學方法下突破頻分、進行更多分路的問題提供解決方法。

微波光子學太赫茲通信系統中，大規模波分復用很容易通過光頻梳獲得較高通道數，能夠實現100Gbps 以上的傳輸速率。而波分復用方式一般與其他復用方式一起使用，能夠達到極高的傳輸速率。表1 是一些混合了波分復用和其他復用方式的太赫茲系統。

表1 幾種混合波分復用和其他復用方式太赫茲系統Table 1 Several wavelength division multiplexing(WDM) and hybrid terahertz systems

2.2 大規模 MIMO 系統

MIMO 即多輸入多輸出技術，是指通過發射接收端布置多根天線，從而提高無線鏈路傳輸的傳輸效率和可靠性。它在信道容量、頻譜效率和能量效率方面，較常規單發單收(SISO)技術有很大提 高[34]。同時，將該技術結合空分復用、空間分集和波束賦形等技術，可以提高數據傳輸速率或者空間的信號方向性。大規模MIMO 則是在此基礎上，進一步顯著增加天線的數量，從而可以使信道容量、空間分辨率和系統覆蓋增益等得到進一步提高[35-36]。

在頻譜資源更為豐富的高頻段尤其是太赫茲波段，由于頻率的影響會使得天線單元間距的物理尺寸縮小，那么在相同空間條件下，可布置的天線數量則會更多。同時，高頻信號在傳輸過程的路徑損耗也會更加強烈，從而讓我們更為關注如何將大規模MIMO 技術和太赫茲通信技術結合，通過波束賦形提高定向覆蓋增益和傳輸距離。綜上，將大規模MIMO 技術融入太赫茲通信技術中將會為太赫茲通信發展提供更大的機會。目前，MIMO 技術可以適用到太赫茲微波光子學的系統以及太赫茲全固態混頻系統中，文獻[37]研究了基于石墨烯構建的1024*1024 單元的等離子體納米天線陣列運用到1~10THz 波段大規模MIMO 系統的可能性，并且MIMO 通常和空間復用、極化復用等技術相伴使用，也可以和其他技術如智能反射面結合應用在通信系統中[38]。文獻[39]將2*2MIMO 和極化復用結合，在中心頻率141GHz 實現微波光子學系統352Gbps的傳輸速率，文獻[32]利用4*4MIMO 技術，采用64QAM 調制實現1.056Tbps 的傳輸速率。在未來太赫茲通信系統中，大規模MIMO 的發展可以趨向于以下幾方面：

2.2.1 3D 覆蓋

基于波束賦型技術和深度學習技術的大規模MIMO，可以通過調整MIMO 天線的相位，從而控制天線輻射方向，實現在空間立體方位上對用戶更精準的定位。未來通信是海陸空天多融合的通信網絡，大規模MIOMO 可以搭載到空中無人機、衛星等實現覆蓋加強。目前對移動物體的信號傳輸基于定點基站，傳輸效率不高，在裝備大規模MIMO 后，通過波束賦型則可以實現跟蹤移動物體并擴大跟蹤距離，通過算法可以對3D 波束進行訓練并加強跟蹤目標，進一步提升對移動物體的信號覆蓋能力[40]。

2.2.2 無蜂窩MIMO 設計

目前使用較多的蜂窩網絡構架在伴隨通信頻率上升、使用用戶增加情況下，會導致接入點或基站密度增加，從而引起小區間信號干擾，因而無蜂窩網絡則會是未來MIMO 應用的主要網絡架構[41]。無蜂窩大規模MIMO 通過在服務區域內分布部署大量天線，各分布的子端擁有平等的信息處理能力，不再進行集中的信息處理，縮短用戶間的通信傳輸距離，有效提高傳輸效率。它兼具大規模MIMO 和分布式天線的特點，并且可以通過預編碼技術有效提高信道傳輸質量。我們也可以引入協作多點傳輸技術，實現多接入點在聯合處理、協助波束賦型等的合作，從而提高用戶的體驗質量。

2.2.3 解決通信 “最后一公里”問題

由于太赫茲信號在穿越大氣、雨霧等環境的路徑損耗更大，從而使得太赫茲頻段的通信系統傳輸距離不遠。但是，太赫茲利用高頻率下的豐富頻譜資源和大帶寬、高傳輸速率的優勢，使得將太赫茲技術運用到解決通信 “最后一公里”問題成為可能。

我們可以通過有線方式傳輸光纖信號，之后通過光電耦合實現有線到無線信號的轉化，傳輸太赫茲信號到用戶。利用大規模MIMO 太赫茲通信系統，結合太赫茲大帶寬、高速率的信號傳輸優勢，我們可以實現無線信號的高空間分辨率、高覆蓋增益傳輸，從而提高“最后一公里”問題下用戶的信號收發體驗。其應用場景包括光纖斷開情況下完成“光-電-光”緊急連接功能；光纖架設過程遇到山谷、河流情況下視距的無線傳輸轉化連接功能；“最后一公里”基站的定向覆蓋、用戶高質量通信收發體驗功能等。

雖然大規模MIMO 能進行低延遲遠距離高精度的可靠傳輸，但是其依然存在一定的挑戰亟待解決，如建立更準確的高頻段大規模MIMO 信道模型、抗干擾的預編碼算法研究和基于機器學習的精準動態且實時快速的波束賦型算法研究，這些都是未來大規模MIMO 技術可以突破的方向。

2.3 感通一體

一方面，通信與感知在系統架構、信號處理等方面均具有相似之處。另一方面，隨著高速率、低延時的通信需求與高分辨率、低延時的感知需求發展，通信與感知進一步開始在頻譜上出現重疊。由此，發展太赫茲感知通信一體化技術是面向未來應用的熱點方向之一。

從感通融合的程度而言，該一體化技術可分為這樣幾個階段：首先，通過通感不同的架構、不同信號處理模塊實現功能上融合；然后，通過不同硬件架構、相同的信號處理模塊實現通感融合；最終，利用通感共口徑器件實現從硬件架構到信號處理的全鏈路融合。特別是在面向高速通信與高分辨率感知融合的太赫茲頻段，通過通感共口徑器件實現的全鏈路融合具有特別意義。這是因為，將太赫茲波段波長與器件尺寸相比擬，單一器件內的耦合、器件與器件間的耦合變得愈發劇烈且不受控制。這些耦合導致的高群延時、低平坦度、低隔離度等使高速通信信號與高分辨率感知信號迅速劣化，嚴重影響系統性能。由此，在全鏈路融合下，綜合優化設計系統硬件、架構是可行的解決方案之一。

從感通融合面向的場景而言，也可分為通信輔助感知、感知輔助通信與通感融合一體化等多個方向。通信輔助感知可通過感知目標預先通信反饋部分信息給感知主題，從而有效提升感知工作范圍與精度；感知輔助通信可通過對環境的預先感知，實現信道的智能規劃，從而提高通信質量；通感融合一體化可實現對環境高精度實時感知與實時高速通信，在智能工廠、智能家庭、健康監測以及無人駕駛等諸多場景有廣泛的應用潛力。

目前通感融合研究的熱點多集中于一體化波形設計與共口徑系統架構、硬件開發。對于波形一體化設計，可采用時分復用、頻分復用、空分復用以及碼分復用等多種波形復用方式；也可采用以感知為主的旁瓣調制、以通信為主的多子載波正交頻分復用以及感通聯合優化設計等多種波形共用方法。對于感通融合的系統架構設計目前并無統一標準，但可根據實現場景對其硬件需求進行初步展望。根據感通融合信號的特點，系統硬件需要實現高速信號的收發隔離，通感信號間的隔離。同時，太赫茲頻段高達數十Gbps 以上的單通道信息傳輸速率又需要皮秒量級的群延時特性。這樣，面向高速通信與高精度感知的一體化共口徑器件需要滿足高隔離度、低群延時等特性。此外，太赫茲波段的空間尺度效應導致的器件間耦合同樣使鏈路內隔離度降低、群延時劣化等。由此，面向高速通信與高精度感知的一體化波形設計與系統架構、硬件開發是通感融合一體化技術的研究熱點之一。

2.4 光電融合

與太赫茲源的發展歷程類似，太赫茲通信也同時從載波頻率由下而上的固態倍頻與由上而下的光學拍頻兩個方向開始研究，并分別發展出全固態通信系統與微波光子學通信系統。較全固態通信系統而言，后者具有帶寬利用率高、信號相位噪聲低等特點。

總體來說，微波光子系統主要由光學鏈路與無線鏈路組成，如圖6 所示。已調太赫茲載波的產生由光學鏈路完成。在光學鏈路中，通過對一路光信號進行調制，再使用光耦合器等使其與另一路不同頻率的光信號線性疊加，最終送入光電探測器進行拍頻處理，得到已調的太赫茲載波。在無線鏈路中，將太赫茲載波進行放大，發射處理。在具體系統架構中，可使用兩臺獨立激光器實現兩路光信號產生，也可使用光頻梳等手段利用一臺激光器實現。

圖6 典型微波光子學系統架構Fig.6 Typical microwave photonics system architecture

隨著光電探測器與數字信號處理技術的發展，微波光子學系統通過高階正交幅度調制等調制手段，極化復用、頻分復用、MIMO 等系統架構實現了通信速率的極大提升。2011年，X.Pang 等人通過PDM-16QAM方式實現了W波段87.5 GHz載波傳輸，通信速率達100 Gbps[42]。2013年，J.Xu 等人采用同樣的方式在W 波段100 GHz 實現了432 Gbps 數據傳輸[43]。隨著更高太赫茲載波頻率與更高階矢量調制方式的運用，J.Xu 等人再次于2018年使用PDM-64QAM 在D 波段140 GHz 實現了1.056 Tbps 數據傳輸[32]。同時，無線MIMO 與極化復用的結合也實現了微波光子學傳輸速率的提升。2013年，X.Li 等人通過80km 光纖與2 x 2MIMO 實現了W 波段100 GHz 無線載波108 Gbps 數據傳播[44]。2016年，J.Xu 等同樣采用結合極化復用的MIMO 架構的微波光子學系統在D 波段137.5 GHz 實現128 Gbps 數據傳輸[45]。此外，頻分復用架構的引入，也為提高微波光子學傳輸速率提供了可行方案[32-33,39]。2013年，J.Xu 等通過從V 波段到D 波段的多載波頻分復用結合極化復用、矢量高階調制等實現了412 Gbps 的數據傳輸[46]。

另一方面，隨著硅光芯片、鈮酸鋰薄膜材料等的發展，集成化微波光子學芯片也取得了長足進步。2016年美國加州大學已實現8*8*40Gbps(2.56Tbps)硅基集成芯片的設計制作，華為公司也實現42*28Gbps(1.2Tbps) 硅基芯片的制作。2018年，日本光電子工業和技術開發協會基于40nm 工藝設計出每平方厘米1.2Tbps 芯片。2020年英特爾公司也設計出1.6Tbps 傳輸速率的硅基集成電路。

近年來，隨著微波光子學系統的不斷發展，其應用場景亦開始逐步明朗。一方面，利用太赫茲波相較微波更大的帶寬特性以承接光纖通信的高速、大容量信息傳遞；另一方面，利用太赫茲波長相較光波大得多的特性實現無線收發。這樣的架構有利于解決如光纖通信的大規模入戶、固定場景大規模用戶高速入網以及傳統光纖難以接入區域的最后一公里傳輸等痛點難點問題。但是，這樣的發展趨勢也對微波光子學系統的硬件發展提出了更高要求，并且主要集中于光電轉換的關鍵器件——單行載流子光電二極管（UTC-PD）上。因受限于其實現功能的物理過程，UTC-PD 的轉換效率較低，且其強烈的非線性過程不可避免造成系統質量劣化，使得高傳輸速率與大傳輸距離不可兼得。當前的主要解決方法是在鏈路中添加太赫茲放大器，并利用多種對信號進行處理的算法來補償非實時的微波光子學系統，使其傳輸距離已突破百米量級，但仍然難以滿足日益增加的應用需求。由此，發展新型的光電轉化器件、設計新型的微波光子學系統架構已成為光電結合通信的熱點方向之一。

2.5 極化，頻分等復雜復用系統

將多種技術進行融合使用，是未來提高通信系統頻譜利用率、數據傳輸速率和通信容量等的有效方法。現有的大規模頻分復用、大規模MIMO、極化復用等技術，都可以實現在系統中的相互搭配。目前使用這種技術融合的復雜系統的主要是微波光子學系統，內容包括MIMO 和極化復用、頻分復用（波分復用）和極化復用以及各類調制技術，將上述技術融合到一起構成的復雜系統。我們將現有的一些復雜復用系統展示如表2。

表2 部分復雜復用系統展示Table 2 Display of some complex multiplexing systems

在目前現有的復雜系統中，其通信速率一般超過100Gbps，甚至有的達到1Tbps 速率，還能實現低誤碼率的高質量通信。借助MIMO 技術能夠實現信號頻譜效率、能量效率的高效利用；借助極化復用能夠使信號互不干擾傳輸，從而提高信號傳輸質量；利用頻分復用，產生多信道進行數據傳輸，能夠通過多通道共同傳輸彌補單一通道傳輸速率的不足。但是，我們也能看到目前現有的復雜系統通信距離仍不足以滿足實際無線通信的要求，其相關指標也只能在實驗室等較為理想的環境下測得，利用大規模MIMO 和大規模頻分復用技術運用到系統中還不夠成熟。在未來，太赫茲復雜通信系統更要沿著深度融合多種復用技術和調制技術的道路，朝著提高傳輸速率到Tbps、提升傳輸距離、降低誤碼率等方向，實現新架構的創新和突破。

3 總結

太赫茲通信作為備受關注的新一代高速通信領域的重要技術，在未來移動通信、空間通信等領域將扮演更多重要的角色。目前，太赫茲通信技術還在不斷地成長和發展中，處于關鍵技術攻關和突破階段。在未來，要實現大規模的應用并形成產業化市場，一定離不開太赫茲芯片技術和系統技術的發展。當前階段，太赫茲射頻前端器件主要以基于肖特基二極管芯片的分立器件為主，今后隨著InP、GaAs 等化合物半導體工藝的不斷推進，并隨著我國硅基工藝的逐步發展，高性能、高可靠性的多工藝的集成電路芯片技術將會成為未來太赫茲通信技術產業化、規模化發展的基石。與此同時，伴隨各種大規模復用、調制等通信技術的發展和成熟，基于芯片技術的太赫茲通信系統也將會朝著如大規模MIMO、多種復用方式結合、感通一體、光電融合等多種方向進行研究，為太赫茲通信的更大傳輸速率、更遠傳輸距離等目標提供一定的解決方法和參考方向。