余建軍，周雯，王心怡，王凱輝

（復(fù)旦大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200433）

0 引言

隨著智能終端應(yīng)用的飛速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量急劇增加，這就要求未來的通信系統(tǒng)能夠在各種復(fù)雜的環(huán)境中實現(xiàn)超高速訪問。一種解決方案是通過使用更高的載波頻率來增加信道帶寬，以提供足夠的傳輸容量[1]。所以更高的載波頻率成為高頻通信的備選，即毫米波和太赫茲頻段。與毫米波相比，太赫茲頻段的帶寬為0.1～10 THz[2]，擁有更高的頻譜范圍，可以提供每秒太比特級別數(shù)據(jù)傳輸速率的支持；擁有更高的方向性，更不易發(fā)生自由空間衍射；采用太赫茲通信技術(shù)，收發(fā)機間的距離更短，電力損耗更低。因此，相比之下，太赫茲頻段具有更大的潛力[1-8]。

隨著對高速率通信需求的日益增加，以及太赫茲器件的研發(fā)取得重要進展，太赫茲無線通信技術(shù)成為當(dāng)前國內(nèi)外無線通信研究的一個重要熱點[3-5]。目前，國內(nèi)太赫茲通信已有幾十家研究團隊，如電子科技大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國工程物理研究院、中電十三/四十一/五十四所、華為、中興、浙江大學(xué)等。其中，中國工程物理研究院太赫茲通信研究小組實現(xiàn)了120 GHz 超10 km 傳輸[6]。

太赫茲波頻率高、可用帶寬大，具有適合信號傳輸?shù)亩喾N優(yōu)良特性，在未來無線通信中具有廣闊的應(yīng)用前景和潛力。光纖通信可以提供巨大的傳輸容量和超長的傳輸距離，但其移動性較差，無法實現(xiàn)廣域無縫覆蓋[8]。太赫茲無線通信在理論上可以覆蓋任何地方，但由于受到頻率資源不足和各種損傷的影響，通信帶寬和傳輸距離受到限制。太赫茲通信已經(jīng)出現(xiàn)超高的無線傳輸速率（超過40 Gbit/s），這甚至超過光纖傳輸速率。然而，僅僅依靠帶寬受限的電子設(shè)備很難產(chǎn)生這樣的超高速無線信號，因此，光子輔助太赫茲技術(shù)應(yīng)運而生并得到了深入的研究[7-10]。

相對于電的方式產(chǎn)生太赫茲信號，光子輔助技術(shù)產(chǎn)生太赫茲信號有如下優(yōu)點。1)可以選擇的頻率高達(dá)1 THz。根據(jù)2 個泵浦激光器的不同頻率精確調(diào)整，方便地獲得不同頻率的太赫茲信號，理論上能夠覆蓋所有可用的大氣傳輸窗口。2)可以產(chǎn)生超寬帶的太赫茲信號。由于使用的光電器件包括調(diào)制器，可以實現(xiàn)帶寬超過100 GHz 太赫茲信號。3)可以靈活地產(chǎn)生多通道的太赫茲信號。光子輔助技術(shù)能夠非常便利地產(chǎn)生多個光載波，在多載波系統(tǒng)中使用該方法能夠大幅提升系統(tǒng)容量，結(jié)合不同的調(diào)制格式，能大大增強系統(tǒng)的靈活性。4)能夠?qū)⒐饫w的低衰減、大容量等優(yōu)勢與太赫茲無線通信的靈活接入優(yōu)勢結(jié)合起來，實現(xiàn)光載無線通信，完成光纖和無線的融合傳輸。

在自由空間傳輸?shù)奶掌澬盘?，由于大氣中水汽的吸收和塵埃粒子的散射，具有很高的傳播損耗，無法實現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。當(dāng)使用有線傳輸時，同軸電傳輸線的損耗會隨著頻率的增加而迅速增加，帶寬也受到頻率相關(guān)損耗的限制。因此，采用能夠?qū)⑻掌澆ㄏ拗圃趦?nèi)部，實現(xiàn)低損耗、長距離、高頻、高安全性傳輸?shù)墓饫w是一個不錯的選擇。在空芯光纖中，太赫茲波在空芯中傳輸，因此其傳播速度可以接近真空中的傳播速度，從而實現(xiàn)低時延?？諝獾牡臀帐刮展獾臒崃哭D(zhuǎn)化較少，因此空芯光纖具有較高的功率閾值，可以傳輸高功率的太赫茲信號。由于沒有玻璃芯，材料引起的色散和非線性效應(yīng)也可以大大降低。最重要的優(yōu)點是空芯光纖的低損耗窗口類似于空氣的窗口，因此可以在太赫茲范圍內(nèi)傳輸?shù)蛽p耗的信號，而低損耗的固體材料很難找到。所有這些優(yōu)點使空芯光纖成為太赫茲信號傳輸中有前途的候選者。

本文將介紹提升太赫茲信號的傳輸容量和延長傳輸距離的各種關(guān)鍵技術(shù)，并介紹采用這些技術(shù)實現(xiàn)創(chuàng)紀(jì)錄的太赫茲信號無線和有線傳輸結(jié)果。

1 增加太赫茲傳輸容量的方法

在光纖通信中，實現(xiàn)大容量光纖傳輸有幾種典型的技術(shù)，包括光的偏振復(fù)用[8]、多入多出結(jié)構(gòu)、高階正交幅度調(diào)制（QAM,quadrature amplitude modulation）[9]、電/光多載波調(diào)制以及先進的基于發(fā)射和接收的數(shù)字信號處理（DSP,digital signal processing）算法。先進的DSP 算法可以補償器件和光纖傳輸鏈路的各種線性和非線性損傷，從而提高接收機靈敏度和系統(tǒng)性能[10-14]。新興的光子輔助太赫茲傳輸技術(shù)利用光纖信道的大帶寬，使用光子拍頻的方式生成寬帶太赫茲信號，能夠突破電子器件帶寬的限制[15-16]。為了提升傳輸容量[17-25]，可以采用多維復(fù)用的方式，包括無線多輸入多輸出（MIMO,multiple-input multiple-output）與光偏振復(fù)用相結(jié)合[20-23]、天線極化復(fù)用、高電平QAM 和多頻段調(diào)制[24-25]等。

1.1 多維復(fù)用

多種多維復(fù)用技術(shù)的實現(xiàn)與協(xié)同集成可以顯著降低光纖-無線集成接入系統(tǒng)的信號波特率，提高系統(tǒng)的傳輸能力。圖1 總結(jié)了用于光纖-無線集成接入系統(tǒng)的典型多維復(fù)用技術(shù)，包括MIMO 空間復(fù)用、光偏振復(fù)用、高階QAM 調(diào)制、天線偏振復(fù)用和多載波調(diào)制。

圖1 用于光纖-無線集成接入系統(tǒng)的典型多維復(fù)用技術(shù)

1)MIMO 空間復(fù)用技術(shù)

天線MIMO 技術(shù)利用多個發(fā)送和接收天線，既可以有效地增加系統(tǒng)的無線傳輸容量，還可以明顯減少達(dá)到給定無線傳輸容量所需的無線發(fā)射功率。并且，天線MIMO 技術(shù)還可以結(jié)合包括空間復(fù)用、波段復(fù)用和天線極化復(fù)用等在內(nèi)的多種復(fù)用方式，有效降低信號波特率，減少對光電設(shè)備的帶寬需求，提高接收機靈敏度，實現(xiàn)毫米波信號高速高頻譜效率的傳輸。

MIMO 空間復(fù)用技術(shù)使用多個發(fā)射和接收天線，可以很好地集成光學(xué)偏振復(fù)用技術(shù)，顯著提高系統(tǒng)傳輸能力。但是，這樣做的代價是相對復(fù)雜的天線結(jié)構(gòu)，并且每個發(fā)射天線的發(fā)射能量顯著降低[26-27]。MIMO 空間復(fù)用結(jié)構(gòu)如圖2 所示。天線的大小、天線的重量和傳輸距離可以通過選擇天線的數(shù)目和天線在發(fā)射端和接收端之間的間距來實現(xiàn)折中。

圖2 MIMO 空間復(fù)用結(jié)構(gòu)

2)光偏振復(fù)用技術(shù)

在光纖通信中，光的偏振復(fù)用技術(shù)可以將光纖鏈路的容量提高一倍，是未來頻譜效率高的高速光傳輸?shù)囊环N實用解決方案。在光子輔助的太赫茲通信系統(tǒng)中，偏振復(fù)用技術(shù)同樣是一種能有效提高系統(tǒng)容量的方案。經(jīng)過偏振復(fù)用后，太赫茲信號可以由二維轉(zhuǎn)換為三維，從而使無線傳輸能力提高一倍。

如何實現(xiàn)多路偏振復(fù)用太赫茲信號的產(chǎn)生和無線傳輸，從而實現(xiàn)FWI（fiber wireless integration）通信是一個很有意義的研究課題。人們可以使用單輸入單輸出（SISO,simple-input simple-output）的無線鏈路來傳輸單偏振的太赫茲信號[28-32]。然而，為了傳輸多路偏振復(fù)用的太赫茲信號，需要使用基于2 對天線的2×2 MIMO 無線鏈路[33]。在這種情況下，本文團隊提出了利用光偏振復(fù)用的無線MIMO 技術(shù)來實現(xiàn)偏振復(fù)用的太赫茲信號的產(chǎn)生和無線傳輸。

光偏振復(fù)用的無線MIMO 技術(shù)原理如圖3 所示。整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括5 個部分，即光基帶發(fā)射機、光纖鏈路、光外差上變頻器、2×2 MIMO 無線鏈路和無線太赫茲接收機。光基帶發(fā)射機中，光調(diào)制器和偏振多路復(fù)用器用于產(chǎn)生偏振多路復(fù)用的光基帶信號。光外差上變頻器接收光纖傳輸后的偏振復(fù)用光基帶信號。光外差上變頻器中使用2 個偏振分束器和2 個光耦合器對接收到的光基帶信號和本振光信號進行光偏振分集操作。本振光信號是由激光器2 產(chǎn)生的。在這里值得注意的是，光外差上變頻器中的激光器2 和光發(fā)射機中的激光器1 都是自由運行的，它們的頻率間隔正好是所需要的太赫茲載頻。

圖3 光偏振復(fù)用的無線MIMO 技術(shù)原理

然后，利用2 個并行的光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，這2 個光電探測器可以是單端的，也可以是平衡的。光電探測器產(chǎn)生2 路太赫茲電信號，可以認(rèn)為這是一個偏振復(fù)用的太赫茲電信號。與單端的光電探測器相比，平衡光電探測器可以消除噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。接著，利用2×2 的無線MIMO 鏈路傳輸產(chǎn)生多路偏振復(fù)用的太赫茲電信號。在某些情況下，每個接收天線可以同時接收來自2 個發(fā)射天線的無線功率，因此可能會出現(xiàn)無線串?dāng)_。在無線太赫茲接收機中，首先采用基于平衡混頻器和正弦波射頻信號的模擬下變頻，將高頻太赫茲信號下變頻為頻率較低的中頻信號。然后，使用雙信道數(shù)字存儲示波器（DSO,digital storage oscilloscope）來捕獲中頻信號，用于后續(xù)離線數(shù)字信號處理。對于多路偏振復(fù)用信號，光纖鏈路和2×2 MIMO 無線鏈路都可以看作2×2 的模型，可用2×2 的瓊斯矩陣表示。

偏振多路復(fù)用器包括一個用來將I/Q 調(diào)制器的輸出平均分成2 個支路的保偏光纖耦合器、在一個支路上用來實現(xiàn)150 符號時延的單臂光時延線、在另一個支路上的用來平衡2 個支路光功率的光衰減器，以及一個用來組合2 個支路的偏振波束組合器。經(jīng)過偏振多路復(fù)用器，可以得到一個PDM-QPSK/ PDM-16QAM/PDM-64QAM 的光基帶信號。值得注意的是，調(diào)制階數(shù)越高，每個符號的比特數(shù)越大，所需的信號波特率越低。同時，隨著調(diào)制階數(shù)的增加，也需要更高的接收機靈敏度。因此，最優(yōu)的矢量調(diào)制與系統(tǒng)的整體性能之間需進行權(quán)衡。

3)多載波調(diào)制技術(shù)

為了增加無線傳輸容量，本文將光多載波調(diào)制技術(shù)引入太赫茲通信系統(tǒng)中。光多載波調(diào)制技術(shù)包括光正交頻分復(fù)用（OFDM,orthogonal frequency division multiplexing）和奈奎斯特波分復(fù)用（WDM,wavelength division multiplexing）等技術(shù)，這些技術(shù)為光子載波優(yōu)化提供了可能。

集成偏振復(fù)用、無線MIMO 結(jié)構(gòu)和光多載波調(diào)制技術(shù)的光子輔助太赫茲系統(tǒng)原理如圖4 所示，該系統(tǒng)可用于實現(xiàn)多載波偏振復(fù)用太赫茲信號的產(chǎn)生和無線傳輸。

圖4 集成偏振復(fù)用、無線MIMO 結(jié)構(gòu)和光多載波調(diào)制技術(shù)的光子輔助太赫茲系統(tǒng)原理

4)天線偏振復(fù)用技術(shù)

為了進一步增加無線傳輸能力，本文將天線偏振復(fù)用技術(shù)引入所提出的太赫茲通信系統(tǒng)中。集成了偏振復(fù)用、無線MIMO、多載波調(diào)制和天線偏振復(fù)用4 種技術(shù)的光子輔助太赫茲系統(tǒng)原理如圖5 所示。本文以雙路波分復(fù)用信號為例，在光外差上變頻器中，首先使用波長選擇開關(guān)（WSS,wavelength selective switch）來分離信道1 和信道2 的信號，經(jīng)光外差上變頻后，太赫茲載波攜帶信道1 和信道2的信號。然后，使用兩對水平偏振的天線來發(fā)射信道1 的信號，使用另外兩對垂直偏振的天線來發(fā)射信道2 的信號，本文把這種天線結(jié)構(gòu)定義為天線偏振復(fù)用。

圖5 集成了偏振復(fù)用、無線MIMO、多載波調(diào)制和天線偏振復(fù)用4 種技術(shù)的光子輔助太赫茲系統(tǒng)原理

使用天線偏振復(fù)用可以進一步使無線傳輸能力加倍，但需要兩倍的光電器件。本文還測量到，對于一個典型的喇叭天線，垂直偏振和水平偏振可以有大于33 dB 的偏振隔離。因此，采用天線偏振復(fù)用可以有效地抑制信道1和信道2之間的無線串?dāng)_。

對于基于空間復(fù)用、太赫茲頻帶復(fù)用、天線偏振復(fù)用等多維復(fù)用技術(shù)的大容量光纖-無線集成系統(tǒng)，需要進一步優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多維復(fù)用技術(shù)的完全集成。在基于天線偏振復(fù)用的天線結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以增加交叉偏振鑒別，優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)參數(shù)，減小傳播路徑對發(fā)射信號的去偏振效應(yīng)。

1.2 結(jié)合概率整形技術(shù)的高階QAM

高階QAM 在光纖傳輸系統(tǒng)和光子輔助太赫茲系統(tǒng)中得到了廣泛的研究，用來實現(xiàn)更高的傳輸速率和光譜效率。由于缺乏高頻太赫茲頻段的功率放大器，功率受限的光纖信道或功率不足的無線太赫茲信道通常會限制高電平QAM 信號的傳輸距離或容量。概率整形（PS,probabilistic shaping）作為一種編碼調(diào)制方案，是近年來的研究熱點，可以在不增加發(fā)射功率到光纖或無線信道的情況下，在一定的傳輸距離下增加容量或延長高階QAM 信號的傳輸距離[34-35]。

2 延長太赫茲傳輸距離的方法

如上文所述，在大容量太赫茲信號傳輸方面，可以使用光子輔助方法生成太赫茲信號，這種結(jié)構(gòu)較為方便、易于集成。此外，多維復(fù)用方式的結(jié)合包括MIMO 空間復(fù)用技術(shù)、光的偏振復(fù)用技術(shù)、多載波調(diào)制技術(shù)以及天線偏振復(fù)用技術(shù)，能擴充信號的維度，大幅提升傳輸容量。高階QAM 由于其固有的高頻譜效率，也能很好地提升系統(tǒng)容量，然而高階QAM 外圍的信號很容易受信道中非線性失真的影響，因此將概率整形技術(shù)與高階QAM 結(jié)合在一起，能有效降低非線性失真的程度。先進的DSP算法也能夠有效提升傳輸容量和傳輸距離。

在延長太赫茲通信距離方面，可以采用較低級的QAM 信號進行傳輸，因為它要求的信噪比較低；也可以采用高增益天線、大增益電放大器、太赫茲有線傳輸和先進數(shù)字信號處理算法，特別是概率整形技術(shù)延長傳輸距離。

2.1 多頻段太赫茲信號產(chǎn)生和傳輸

采用多頻段復(fù)用能夠降低單頻段信號的波特率，從而降低對光電器件信號的帶寬，并且降低系統(tǒng)相應(yīng)的平坦度以及延長傳輸距離，因而多頻段信號的太赫茲生成方式受到越來越多的關(guān)注[31]。

2.2 先進數(shù)字信號處理算法

如前文所述，先進的光通信技術(shù)的應(yīng)用包括光子輔助方法、多維度復(fù)用和高階QAM 等，都能減少無線太赫茲通信系統(tǒng)的傳輸波特率，提高傳輸容量，更好地滿足大容量光纖傳輸。高效的DSP 對于光纖-無線集成系統(tǒng)是至關(guān)重要的，因為它可以有效地減輕或補償由于組件和傳輸鏈路不完善而造成的各種線性和非線性損傷，從而顯著提高系統(tǒng)性能。外差相干檢測系統(tǒng)中，需要結(jié)合先進DSP 算法來檢測多維多電平的太赫茲信號，以提高系統(tǒng)性能，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

與先進DSP 相結(jié)合的外差相干檢測的簡化結(jié)構(gòu)分別如圖6 所示。由于外差相干檢測不需要光相位分集，因此可以將2 個偏振分束器和2 個90°光混頻器簡化為2 個偏振分束器和2 個光耦合器。所需的平衡光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)量可以減少一半，因為在每個偏振（X 偏振或Y 偏振）處的同相（I,in-phase）和正交（Q,in quadrature）信號分量仍然合并在一起，光偏振分集后只剩下2 個不同的信號支路。顯然，簡化的外差相干檢測結(jié)構(gòu)比相應(yīng)的集成結(jié)構(gòu)具有更高的硬件效率。此外，由于高速寬帶平衡光電探測器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器的可用性，中頻信號的下變頻以及I 路和Q 路信號成分的分離可以通過離線數(shù)字信號處理[35]在數(shù)字領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)。

圖6 與先進DSP 相結(jié)合的外差相干檢測的簡化結(jié)構(gòu)

對于光載太赫茲PDM-QPSK 調(diào)制信號，外差相干探測后的離線數(shù)字信號處理流程包括中頻信號下變頻、色散（CD,chromatic dispersion）補償、恒模算法（CMA,constant modulus algorithm）均衡、載波恢復(fù)、差分譯碼、誤碼率（BER,bit error ratio）計算[36]，基于外差檢測和離線DSP 的寬帶無線接收機實例如圖7 所示。

圖7 基于外差檢測和離線DSP 的寬帶無線接收機實例

3 速率超1 Tbit/s 太赫茲信號傳輸

本文團隊基于概率整形的高級QAM、極化復(fù)用的MIMO、預(yù)均衡、多載波復(fù)用技術(shù)，使用光子輔助方式在D 波段成功地實現(xiàn)了速率超1 Tbit/s 的矢量太赫茲信號的無線傳輸[37]。實驗系統(tǒng)中同時使用了2 種不同的D 波段太赫茲載波頻率，分別為124.5 GHz 和150.5 GHz，這2 種頻率正好位于 D 波段系統(tǒng)的可拓展頻率范圍（124～152 GHz），基于遠(yuǎn)光程外差技術(shù)，可同時產(chǎn)生2 個雙副載波矢量太赫茲信號，以達(dá)到1.056 Tbit/s的總數(shù)據(jù)容量。

速率超1 Tbit/s 的光子輔助D 波段矢量太赫茲信號傳輸?shù)膶嶒炑b置如圖8 所示。該系統(tǒng)可以實現(xiàn)4×4 MIMO 傳輸，無線傳輸距離為3.1 m。該實驗系統(tǒng)中，光發(fā)射端采用4 個自由運行激光器（激光器1～激光器4）用來提供光載波。激光器5 和激光器6 用于在無線發(fā)射端提供本振光源。在光發(fā)射端，激光器1 和激光器3 生成的2 個連續(xù)光波（分別標(biāo)記為信道1 和信道3）首先由保偏光纖耦合器耦合，然后通過一個I/Q 調(diào)制器被24 GBaud 的六電平電信號調(diào)制，隨后由保偏摻鉺光纖放大器放大，最后由偏振復(fù)用器復(fù)用，生成一個雙通道的光PDM-64QAM-PS5.5 信號，信道間隔為275 GHz（124.5 GHz+150.5 GHz=275 GHz）。對激光器2和激光器4 產(chǎn)生的2 個連續(xù)光波（分別標(biāo)記為信道2和信道 4）進行相同的操作，生成另一個具有275 GHz 信道間距的雙通道光PDM-64QAM-PS5.5信號。每個24 GBaud 的六電平驅(qū)動電信號采用64QAM-PS5.5 調(diào)制和最優(yōu)預(yù)失真。

圖8 速率超1 Tbit/s 的光子輔助D 波段矢量太赫茲信號傳輸?shù)膶嶒炑b置

將產(chǎn)生的2 個雙通道光PDM-64QAM-PS5.5 信號用保偏光纖耦合器進行耦合，以2.9 dBm 的光功率將組合光信號從光發(fā)射端發(fā)送到無線發(fā)射端，在單模光纖上的傳輸長度超過10 km。

在無線發(fā)射端，接收到的光信號經(jīng)過一個可編程波長選擇開關(guān)（WSS,wavelength selective switch），隨后被分成2 個雙副載波光信號，即包括信道1 和信道2 在內(nèi)的雙副載波光信號以及包括信道3 和信道4 在內(nèi)的雙副載波光信號。經(jīng)過偏振控制器（PC,polarization controller）后，包括信道1和信道2（或信道3 和信道4）在內(nèi)的雙副載波光信號隨后經(jīng)過光的偏振分集操作。然后，生成的X偏振和Y 偏振雙副載波光太赫茲信號由2 個并行的摻鉺光纖放大器放大，通過2 個并行的偏振控制器，最后由2 個D 波段的光電探測器轉(zhuǎn)換成2 個雙副載波太赫茲信號，它可以被認(rèn)為是一種采用PDM-64QAM-PS5.5 調(diào)制的雙副載波電太赫茲信號，2 個太赫茲載波頻率分別為124.5 GHz 和150.5 GHz。從工作波長的角度看，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。

將生成的2 個雙副載波電太赫茲信號通過3.1 m 的4×4 MIMOD 波段無線太赫茲傳輸鏈路進行傳輸。這4 個無線傳輸鏈路是平行的，兩對水平偏振的D 波段喇叭天線用來傳輸對應(yīng)于信道1 和信道2 的雙副載波電太赫茲信號，而另外兩對垂直偏振的D 波段喇叭天線用來傳輸對應(yīng)于信道3 和信道4 的雙副載波電太赫茲信號。使用4 對透鏡對太赫茲信號進行聚焦，使無線接收端接收到的無線功率最大。

在無線接收端，首先對接收到的2 個雙副載波太赫茲信號使用4 個并行的D 波段混頻器進行模擬下變頻；然后，下變頻后的雙副載波中頻信號每個都攜帶12.5 GHz 和38.5 GHz 副載波頻率，由4 個并行的功率放大器進行增強；最后，使用數(shù)字存儲示波器的4 個采樣率為160 GSa/s 的模數(shù)轉(zhuǎn)換器同時捕獲2 個下變頻后的雙副載波中頻信號。

本文測量了在4×4 MIMO無線通信系統(tǒng)中同時傳輸2 個雙副載波PDM-64QAM-5.5 調(diào)制的矢量太赫茲信號時系統(tǒng)的誤碼率性能，如圖9(a)所示。發(fā)送的2 個雙副載波PDM-64QAM-PS5.5 調(diào)制的矢量太赫茲信號的總波特率為24×2×2=96 GBaud，總比特率為96×5.5×2=1.056 Tbit/s，可無線傳輸超過3.1 m，誤碼率低于SD-FEC 閾值4×10-2。捕獲到的X 偏振雙副載波中頻信號如圖9(b)所示，對應(yīng)于信道1 和信道2 的輸入功率為10.5 dBm。這項工作表明了太赫茲信號大容量傳輸?shù)目尚行浴?/p>

圖9 實驗結(jié)果

4 太赫茲空芯光纖傳輸

太赫茲空芯光纖是一種新型的高效傳輸介質(zhì)，主要由中空基板和具有高反射率的金屬鍍層組成[38]。太赫茲空芯光纖在從可見光到遠(yuǎn)紅外甚至太赫茲波段的寬波長范圍內(nèi)具有低損耗的特性。其損耗可以做到每米小于1 dB。最近，本文團隊成功實現(xiàn)了光子輔助太赫茲波通信系統(tǒng)中325 GHz 太赫茲信號在1 m 空芯光纖上的有線傳輸[39]。通過采用32 GBaud PS-4096QAM 信號，實現(xiàn)了凈比特率達(dá)到275.2 Gbit/s 的太赫茲有線傳輸，頻譜效率（SE,spectrum efficiency）為8.6 bit/(s·Hz)。實驗結(jié)果展現(xiàn)了太赫茲空芯光纖作為太赫茲信號高速傳輸新介質(zhì)的潛力。

4.1 太赫茲空芯光纖傳輸實驗裝置

本文在光子輔助太赫茲通信系統(tǒng)中實現(xiàn)了325 GHz 的32 GBaud PS QAM 信號在1 m 空芯光纖上的傳輸，如圖10 所示。采用一個UTC-PD 產(chǎn)生325 GHz 太赫茲信號，然后采用1 m 太赫茲空芯光纖進行有線傳輸。聚碳酸酯管用作太赫茲空芯光纖的中空基材以獲得柔韌性，可以彎曲甚至盤繞。內(nèi)金屬鍍層為銀膜，厚度為0.3 μm。此外，太赫茲空芯光纖的內(nèi)徑為3.6 mm，300 GHz 下的線性傳輸損耗為1.33 dB/m。

在接收端，空芯光纖傳輸后的太赫茲信號被喇叭天線接收。如圖10(b)所示，發(fā)射器和接收器處的2 個天線平行放置在同一方向。中空光纖彎曲并精確插入兩根天線之間，確保太赫茲信號在中空光纖中傳輸無泄露。

圖10 在1 m 太赫茲空芯光纖上傳輸?shù)膶嶒炑b置

對于32 GBaud PS-4096QAM 太赫茲信號有線傳輸，PS-4096QAM 信號產(chǎn)生框架如圖11(a)所示。進入PD 的32 GBaud PS-4096QAM 光信號的光譜如圖11(b)所示，太赫茲信號的中心頻率為325 GHz。17 GHz 處接收的IF 信號的電頻譜如圖11(c)所示。

圖11 32-GBaud PS-4096QAM 太赫茲信號有線傳輸原理

4.2 太赫茲空芯光纖實驗結(jié)果

圖12 給出了 32 GBaud PS-256QAM、PS-1024QAM 和PS-4096QAM 信號在BtB 情況下和通過1 m 空芯光纖傳輸后的NGMI 測量值與進入PD的功率的關(guān)系。

圖12 3 種PS-QAM 格式的NGMI 測量值與進入PD 的功率的關(guān)系

在BtB 情況下，PS-256QAM 和PS-1024QAM信號的NGMI 測量值均高于0.83-NGMI LDPC 閾值。對于PS-4096QAM 信號，當(dāng)進入PD 的功率達(dá)到10 dBm 時，可以獲得NGMI 均高于0.83-NGMI LDPC 閾值。此外，與BtB 情況相比，通過1 m空芯光纖傳輸后進入PD 的功率損失約為0.5 dB?？紤]到0.83-NGMI LDPC 閾值，PS-4096QAM 信號在空芯光纖傳輸后進入PD 所需的功率提高到10.5 dBm。同時，PS-1024QAM 信號在0.83-NGMI閾值下進入PD 所需的功率為8.6 dBm。圖13 分別給出了16 GBaud 64QAM 和PS-256QAM 信號的電頻譜。

圖13 16 GBaud 64QAM 和PS-256QAM 信號的電頻譜

5 寬帶太赫茲信號長距離傳輸

要在太赫茲系統(tǒng)中保持高速傳輸速率的同時增加傳輸距離，仍然存在需要克服的技術(shù)挑戰(zhàn)[40-43]。本文團隊提出了在沒有太赫茲放大器的情況下增加傳輸距離同時保持高速傳輸速率[44]。與其他太赫茲長距離傳輸實驗不同，本文不使用任何昂貴的太赫茲放大器或固定工作頻率范圍的反射器天線，而是利用了合適的介電透鏡和DSP 算法成功展示了20 GBaud TPS-256QAM OFDM 信號在太赫茲頻段頻率超過54.6 m 的無線傳輸能力，凈數(shù)據(jù)速率為109.6 Gbit/s，在無太赫茲放大器的基礎(chǔ)上成功實現(xiàn)單通道太赫茲傳輸中最高凈速率和最遠(yuǎn)無線距離，為下一階段更遠(yuǎn)距離的傳輸打下了基礎(chǔ)。

圖14 展示了太赫茲系統(tǒng)的實驗裝置。在光發(fā)射器端，放置了2 個自由運行的激光器（ECL1和ECL2）以產(chǎn)生連續(xù)波長（CW,continuous wavelength）光波。它們的間距是340 GHz。接下來，ECL1產(chǎn)生的激光用于驅(qū)動I/Q 調(diào)制器，該調(diào)制器具有2.3 V 的半波電壓和30 GHz 的3 dB 帶寬。在發(fā)射端，OFDM 信號生成的過程包括M-QAM 符號的生成、S/P 轉(zhuǎn)換、訓(xùn)練序列（TS,training sequence）插入、N 點快速傅里葉逆變換（IFFT,inverse fast Fourier transform）、添加循環(huán)前綴（CP,cyclic prefix）、P/S 轉(zhuǎn)換。此外，采用工作頻率為64 GSa/s的波形發(fā)生器（AWG,arbitrary waveform generator），實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。在雙并聯(lián)電放大器（EA,electric amplifier）的幫助下，I 通道和Q 通道的基帶OFDM 信號被加載到I/Q 調(diào)制器，然后I/Q 調(diào)制器的輸出信號經(jīng)過保偏摻鉺光纖放大器（PM-EDFA，polarization maintaining Erbium doped fiber amplifier）放大。PM-EDFA 和ECL2的輸出信號通過保偏光纖耦合器（PM-OC,polarization maintaining fiber coupler）耦合成一個輸出。頻譜測量結(jié)果如圖15 所示，2 個光載波之間的頻率間隔為340 GHz。

圖14 太赫茲系統(tǒng)的實驗裝置

圖15 頻譜測量結(jié)果

PM-OC 的輸出信號通過20 km 單模光纖28（SMF-28）傳輸。之后，為了補償光纖傳輸中的功率損耗，信號經(jīng)過摻鉺光纖放大器（EDFA,Erbium doped fiber amplifier）放大。隨后，信號通過偏振控制器進行偏振控制，最后進入無線集成光混頻器模塊（即AIPM），并轉(zhuǎn)換為電太赫茲信號。

從AIPM 輸出的太赫茲電信號進入54.6 m 的無線鏈路。無線傳輸中，使用一對平凸透鏡來準(zhǔn)直太赫茲光束，以最大限度地提高接收端接收到的無線信號功率。這對介電透鏡在520 GHz 下具有大約1.96 的低介電常數(shù)和大約1.4 的折射率。并且透鏡具有低介電常數(shù)，典型的工作頻率可以擴展到0.1～2 THz，并且在頻帶邊緣的性能下降很小。同時，它們在很寬的頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的聚焦功能。透鏡1 用于準(zhǔn)直來自點源的太赫茲波，其直徑和焦距參數(shù)分別為10 cm 和20 cm。此外，透鏡2 用于將準(zhǔn)直光束聚焦到后焦點，其直徑和焦距參數(shù)分別為30 cm 和50 cm。

在接收端，透鏡2 的焦點附近放置一個喇叭天線（HA,horn antenna）來接收電太赫茲信號，使用次諧波肖特基混頻器對太赫茲信號進行下變頻。該混頻器由 16 倍頻正弦電波源驅(qū)動，其頻率為20.625 GHz。因此，用于驅(qū)動IMAMC 的頻率為16×20.625=330 GHz。得到的中頻信號的頻率為10 GHz，然后經(jīng)過EA 放大，最后被DSO 捕獲，DSO 3 dB 帶寬為33 GHz。后續(xù)離線DSP 處理和上面的實驗基本一致。

本文研究了不同調(diào)制格式的 20 GBaud OFDM 信號在系統(tǒng)傳輸后的NGMI 性能。不同調(diào)制格式下20 GBaud OFDM 信號的NGMI 與AIPM或UTC-PD 的輸入功率之間的關(guān)系如圖16 所示，此測量沒有光纖傳輸。傳輸?shù)腛FDM 信號的調(diào)制格式為TPS-256QAM。AIPM 輸入功率的測量范圍為9～14 dBm，由AIPM 之前的EDFA 調(diào)整。可以看出，在固定調(diào)制格式時，隨著AIPM 輸入功率的增加，NGMI 性能逐漸優(yōu)化。圖16 中插圖給出了AIPM 的輸入功率為14 dBm 時，20 GBaud信號傳輸在TPS-256QAM 格式下恢復(fù)的星座圖。高達(dá)20 GBaud 的340 GHz TPS-256QAM 信號可在54.6 m 無線距離內(nèi)傳送，并能滿足10%的FEC開銷。

圖16 不同調(diào)制格式下20 GBaud OFDM 信號的NGMI 與AIPM 或UTC-PD 的輸入功率之間的關(guān)系

6 結(jié)束語

本文對太赫茲通信系統(tǒng)提高容量和傳輸距離的技術(shù)和方法進行了介紹。這些技術(shù)在太赫茲通信的傳輸容量和傳輸距離方面都取得了進展。本文實現(xiàn)了D 波段（110～170 GHz）的4×4MIMO PS-64QAM太赫茲信號無線傳輸3.1 m，其總比特率達(dá)到了1.056 Tbit/s。在該系統(tǒng)中，采用先進的數(shù)字信號處理技術(shù)，包括概率整形和預(yù)失真。本文在光子輔助太赫茲波通信系統(tǒng)中通過1 m 空芯光纖實驗證明了325 GHz 的32-GBaud PS-4096 QAM 太赫茲信號的有線傳輸。借助PS 技術(shù)和先進的DSP，可以成功實現(xiàn)頻譜效率為8.6 bit/(s·Hz)的275.2 Gbit/s 傳輸速率。在國際上，本文團隊在太赫茲波段實驗性地實現(xiàn)了無太赫茲放大器的高速光子輔助無線集成系統(tǒng)，其中高達(dá)109.6 Gbit/s 的TPS-256QAM 信號可以通過20 km 的SMF-28 傳輸，然后基于一對合適的介電透鏡和先進的DSP 技術(shù)提供超過54.6 m 的無線傳輸。這一成果顯著提升了無線移動數(shù)據(jù)通信的性能，延長了傳輸距離，增加了傳輸容量。下一階段有望實現(xiàn)速率超1 Tbit/s 的太赫茲信號在km 級別的距離上進行長距離傳輸。