eng
Выпуск #3/2015
В. Семенова, В. Беспалов
Терагерцевые технологии для телекоммуникаций
Терагерцевые технологии для телекоммуникаций
Просмотры: 7614
Общая тенденция к увеличению объемов передаваемой информации ведет к необходимости создания высокоскоростных беспроводных сетей с повышенной пропускной способностью. Наиболее перспективным подходом для решения данной задачи являются беспроводные терагерцевые системы связи на основе технологий фотоники. Обзор посвящен достижениям в области разработки и применения терагерцевых линий связи.
Теги: telecommunications terahertz radiation wireless access беспроводной доступ телекоммуникации терагерцевое излучение
Введение
Высокая скорость передачи данных в волоконно-оптических сетях, достигающая уровня петабит в секунду [1], ведет за собой возрастающие требования к объему и скорости передачи данных в системах беспроводного доступа. Согласно закону Эдхольма о росте скорости передачи данных в беспроводных линиях связи [2], уже к 2020 году потребуются скорости в десятки и сотни Гбит/с – не менее 24 Гбит/с для трансляции телевизионных данных с ультравысоким разрешением (UHDTV); и 100 Гбит/с для поддержки 100G Ethernet [3, 4]. Технологии обмена данными на малых расстояниях [5] также требуют увеличения скорости передачи данных между компонентами различных устройств и оборудования (рис.1)[6].
Использование ИК-диапазона частот для высокоскоростной передачи данных не представляется возможным: скорость передачи в данном диапазоне ограничена сотнями мегабит в секунду [7], это связано с малой чувствительностью приемников излучения, диффузными потерями на отражение, наличием сильного светового шума в окружающей среде, а также ограничением по мощности излучения из-за опасности повреждения органов зрения [8]. Таким образом, для достижения скоростей 10–100 Гбит/с в беспроводных сетях возможно использовать два пути: первый подразумевает увеличение спектральной эффективности каналов связи до десятков бит/с/Гц; второй заключается в увеличении полосы частот до нескольких десятков гигагерц. Последний подход представляется наиболее целесообразным и предполагает использование терагерцевого диапазона частот (0,1–10 ТГц), поскольку именно в данном диапазоне располагается необходимый по величине участок незарезервированного спектра.
Существуют и другие преимущества применения субмиллиметровых волн в линиях беспроводной связи по сравнению с ближним ИК-диапазоном спектра. Во-первых, ТГц-сигналы испытывают меньшее по сравнению с ИК-сигналами ослабление при тех же погодных условиях – например, при тумане [9, 10]. Во-вторых, амплитудно-фазовые флуктуации, вызванные локальными изменениями показателя преломления атмосферы, также практически не влияют на распространение ТГц-излучения, но ограничивают применение систем на основе ИК-излучения [9–11]. Описанные преимущества характерны для частот, попадающих в окна прозрачности атмосферы, а именно в диапазонах 75–100; 110–150; 200–300 и 600–700 ГГц [12]. При столь широких доступных полосах частот даже при применении простейшей амплитудной модуляции могут быть достигнуты скорости передачи данных в десятки гигабит в секунду [13, 14]. Еще одно преимущество ТГц-линий связи заключается в возможности осуществления на их основе систем защищенных коммуникаций [15].
Поскольку ТГц-излучение сильно ослабляется при распространении в атмосфере, как это показано на рис. 2, то область применения ТГц-связи в основном ограничена локальными сетями беспроводного доступа. При необходимости переноса ТГц-сигналов на дальние дистанции применяют технологию модуляции на ТГц-частотах оптических сигналов, передаваемых по волокну [14, 16]. Характеристики поглощения и рассеяния канала распространения ТГц-излучения внутри помещений исследуются теоретически и экспериментально с учетом диффузного рассеяния волн на неровностях поверхностей, отражения от многослойных структур и дифракции [11, 17].
Подходы к реализации
ТГц-беспроводных линий связи
ТГц-системы беспроводной связи подразделяются на оптические, электронные и гибридные, в зависимости от используемых компонентов. Наибольшее распространение к данному моменту получили именно гибридные (смешанные) системы, поскольку на данном этапе развития фотоники и электроники именно сочетание электронных и оптических устройств позволяет достичь рекордных скоростей передачи данных.
Гибридная беспроводная линия ТГц-связи может быть реализована на основе двух подходов, в зависимости от метода генерации ТГц-сигнала. При одном подходе генерация ТГц-сигнала осуществляется технологиями фотоники, при другом – технологиями электроники. Было показано, что подход к генерации ТГц-сигнала на основе технологий фотоники наиболее целесообразен с точки зрения ширины используемой полосы частот, возможностей перестройки и стабильности, и может применяться для достижения скоростей передачи данных до 10 Гбит/с и более, поскольку доступны телекоммуникационные компоненты, такие как лазеры, модуляторы и фотодиоды, работающие на таких скоростях. Применение оптоволоконных кабелей позволяет передавать высокочастотные радиосигналы на длинные дистанции [16, 34]. Кроме того, безусловным преимуществом подхода на основе фотоники, является тот факт, что оптоволоконные и беспроводные коммуникационные сети могут органично соединяться с точки зрения скорости передачи данных и формата модуляции [15, 18, 19].
Данная работа посвящена последним достижениям в области реализации гибридных и полностью оптических беспроводных систем ТГц-связи на несущих частотах более 100 ГГц с применением технологий фотоники для генерации сигналов.
Компоненты и конфигурации схем генерации сигнала
Методы генерации оптических сигналов на основе технологий фотоники, наиболее эффективно применяемые в беспроводных системах ТГц-связи, включают генерацию ТГц-сигналов сверхбыстрыми импульсными лазерами [20] и гетеродинирование оптических биений (фотосмешение) непрерывного излучения [3, 19, 21–23]. Общая схема генерации оптического сигнала методами фотоники изображена на рис.3. Оптический сигнал, интенсивность которого модулируется на ТГц-частотах, сначала генерируется оптическим источником (с импульсным или непрерывным излучением), а затем кодируется электрооптическим модулятором на основе интерферометра Маха-Цандера. Наконец, огибающая оптического сигнала конвертируется в ТГц-сигнал фотодиодом или фотопроводником, после чего он испускается в открытое пространство антенной. В некоторых случаях за фотодиодом помещают усилитель мощности и/или частотный умножитель, если только данные электронные устройства доступны на нужных частотах. В качестве генератора оптического сигнала чаще всего применяются ИК-полупроводниковые лазеры, поэтому неотъемлемой частью таких схем являются надежные и экономически выгодные телекоммуникационные компоненты: оптическое волокно, эрбиевые волоконные усилители и полупроводниковые лазерные усилители. Для модуляции ТГц-сигналом эффективно применяется управление напряжением смещения конвертора [19].
В случае генерации сигналов методами фотоники оптоэлектронный преобразователь (фотодиод или фотопроводник), работающий на длинах волн 1,3–1,55 мкм, является ключевым компонентом: в дополнение к оптическим источникам сигнала он, в конечном счете, определяет производительность передачи в отношении пропускной способности и мощности [22]. Наиболее распространенными и коммерчески доступными являются фотопроводники на основе выращенных при низкой температуре структур GaAs (LT-GaAs) для длин волн лазерного излучения 700–900 нм, и на основе структур LT-InGaAs для длин волн 1300–1600 нм [23, 24]. На практике фотопроводящие материалы чаще всего исполняют роль переключателей, заключенных в структуру металлических (к примеру, золотых) антенн, образуя фотопроводящие антенны. При освещении такой структуры импульсами фемтосекундной длительности фотопроводящий переключатель переходит из изолирующего в проводящее состояние. В результате перехода возникает короткий импульс тока, который и является источником ТГц-излучения.
Фотопроводники и фотопроводящие антенны применяются как с импульсными, так и с непрерывными источниками оптического сигнала, тогда как фотодиоды с точки зрения выходной мощности более эффективны в сочетании с непрерывными источниками. Для генерации и регистрации непрерывного ТГц-излучения применяют метод фотосмешения [3, 19, 21–23]. При данном подходе генерация ТГц-излучения происходит в результате гетеродинного смешения и введения в фотопроводящую структуру или фотодиод двух световых волн разной частоты. На рис.4а схематично изображена реализация данного метода с помощью двух лазерных источников с перестраиваемыми длинами волн. Данная техника генерации обладает рядом преимуществ для применения в ТГц-беспроводных системах связи: она обеспечивает наибольший диапазон перестройки частоты излучения – от ГГц- до ТГц-региона. Помимо этого, при данном подходе не возникает необходимости в дорогостоящих электронных устройствах, работающих на частотах миллиметрового и/или ТГц-диапазона. Нужно, однако, отметить, что для эффективного фотосмешения поляризация, частоты и фазы вводимых оптических пучков должны быть постоянны, поэтому необходимо вводить в схему системы фазовой синхронизации. Таким образом, применение оптических смесителей для ТГц-генерации имеет ряд преимуществ – они недорогие, компактные, работают при комнатной температуре и допоскуют перестройку частоты излучения. Однако, довольно узкая полоса пропускания, вызванная присоединяемыми к ним для большей эффективности излучения антеннами, ограничивает применение смесителей в ТГц-беспроводных системах коммуникации, поскольку для дальнейшего увеличения скорости передачи данных необходимы большие полосы частот. Выходом может являться разработка смесительных антенн с высокой спектральной полосой пропускания и эффективностью, а также большим усилением (для компенсации потерь мощности излучения при распространении сигнала в воздухе). Например, в [25] сообщалось о создании антенны на основе фотонно-кристаллической структуры, полностью покрывающей диапазон от 275 до 320 ГГц. Ранее были разработаны фотосмесители со встроенной антенной, и на их основе продемонстрирована генерация излучения с перестраиваемой частотой в диапазоне 30–300 ГГц [26].
На рису. 4б показана другая гетеродинная техника генерации ТГц-излучения, которая позволяет получать сигналы с низким фазовым шумом [27–29]. Ключевыми компонентами являются генератор оптической частотной гребенки и оптический фильтр, выделяющий две частоты оптической гребенки. Оптическую частотную гребенку получают либо с помощью лазерной системы с синхронизацией мод, либо модуляцией непрерывного пучка лазерного излучения. Таким образом, генерируются многочастотные оптические сигналы, интервалы между которыми равны межмодовой частоте f0 для лазеров с синхронизацией мод, причем все моды синхронизированы по фазе. Выделение и комбинация двух мод осуществляется между модами с интервалом Nf0. Основная частота f0 обычно находится в диапазоне от 10 до 30 ГГц, для которого оптические модуляторы и управляющие электронные устройства коммерчески доступны, и фактор умножения N может достигать значений более 50. Поскольку возможна точная перестройка f0 с помощью синтезированного генератора сигнала, то частота сигнала на выходе может непрерывно меняться от f0 до Nf0.
Как отмечалось выше, во всех гибридных схемах при генерации ТГц-сигнала методами фотоники оптоэлектронный преобразователь является ключевым компонентом. Для высокоскоростной передачи данных в беспроводных ТГц-системах связи с несущими частотами более 100 ГГц необходимы мощные оптоэлектронные преобразователи, работающие на высоких частотах.
Среди фотодиодов для диапазона 1550 нм наибольшей мощностью на выходе обладают сверхбыстродействующие фотодиоды бегущей волны, с раздельными областями поглощения излучения и разделения фотоносителей c расширенным динамическим диапазоном (Uni-Travelling-Carrier или UTC-PD) для аналоговых волоконно-оптических линий связи, и их модификации: получена мощность более 20 мВт на частоте 100 ГГц, более 500 мкВт на частоте 350 ГГц, более 100 мкВт в диапазоне 350–450 ГГц и более 10 мкВт на частоте 1 ТГц- [23,24,26,28]. Часто для увеличения эффективности фотодиода его интегрируют с плоской антенной.
Для практического применения UTC-фотодиодов в системах беспроводной ТГц-связи необходимо увеличить выходную мощность на частотах выше 500 ГГц более чем на порядок. Работы над увеличением мощности фотодиодов ведутся по трем основным направлениям: устранение проблемы нагрева в UTC-фотодиодах; разработка эффективного соединения между фотодиодом и антенной и создание массивов фотодиодов и антенн. Кроме того, поскольку усилители мощности, оперирующие на данных полосах частот, пока коммерчески не доступны, одним из наиболее эффективных подходов является использование частотного умножителя. К примеру, Моэлер и др. [30] получили с помощью такого подхода выходную мощность в более чем 1 мВт на частоте 625 ГГц, начав с основной частоты 13 ГГц.
Для эффективного соединения фотодиодов и антенн разрабатывают ТГц-волноводы. К примеру, были разработаны фотодиодные модули с полыми прямоугольными волноводами для W-полосы частот (75–110 ГГц), F-полосы (90–140 ГГц), D-полосы (110–170 ГГц) и J-полосы (220–325 ГГц) [26]. Ведутся работы по созданию волноводов для более высоких частот – например, разработан полый стеклянно-металлический волновод с наименьшим затуханием 0,95 дБ/м для частоты 2,5 ТГц [31].
Основные методы регистрации
Для детектирования ТГц-сигналов применяют два основных подхода – прямое детектирование и гетеродинное (рис.5). В качестве приемника чаще всего используют диоды с барьером Шоттки (ДБШ) и болометры. Прямое детектирование (рис.5а) является наиболее распространенной методикой для измерения амплитуды или мощности ТГц-излучения, предельная частота детектирования ДБШ может достигать 10 ТГц при применении материалов на основе GaAs и 1,5 ТГц при применении 130-нм кремниевой технологии КМОП. Гетеродинное детектирование на основе ДБШ смесителя и местного генератора колебаний (гетеродина) (рис. 5б) предоставляет большую чувствительность и фазовую информацию о ТГц-сигнале. На рисунке 5в и 5г показаны схемы гетеродинного детектирования с гетеродинами, в которых генерация ТГц- сигнала осуществляется методами фотоники. Преимущество схемы на рис. 5в состоит в том, что сигнал ТГц-гетеродина можно подвести с помощью оптического волокна, а полоса пропускания приемника увеличивается за счет возможностей более широкой перестройки частоты при генерации сигнала ИК полупроводниковыми лазерами [23]. В сочетании с фотосмесителями гетеродинная схема на рис. 5г предоставляет наибольшую полосу пропускания. В качестве фотосмесителей обычно применяют фотопроводники, фотопроводящие антенны и фотодиоды.
Демонстрации систем беспроводной ТГц-связи
Впервые ТГц-беспроводная система связи с несущей частотой более 100 ГГц была представлена в 2000 году компанией NTT [32]. Система представляла собой беспроводную линию с несущей частотой 120 ГГц, в которой генерация и модуляция сигналов осуществлялась средствами фотоники. Достижение беспрецедентной скорости передачи в 10 Гбит/с [14] подтолкнуло развитие электронных компонентов для беспроводных систем связи, и впоследствии была разработана уже полностью электронная беспроводная система на основе КМОП, с помощью которой в 2008 году была проведена трансляция в режиме реального времени Олимпийских игр в Бейджинге [33]. После этого разработка систем ТГц-беспроводной связи продолжилась быстрыми темпами: в течение следующих лет были опубликованы результаты экспериментов по передаче данных на несущих частотах 75–110 ГГц [16, 34, 35], 140 ГГц [36], 200–240 ГГц [37, 38], 250–400 ГГц [7, 29, 39, 40, 42], 625 ГГц [29, 30].
Разработкой беспроводных коммуникационных систем на основе подходов фотоники в полосе частот 75–110 ГГц (W-диапазон) занимается ряд научных коллективов. Было продемонстрировано несколько таких систем: например, в работе [16] описана 100-Гбит/с гибридная беспроводная линия связи на основе оптической гетеродинной ап-конверсии 12,5 Гбит оптического 16-КАМ сигнала основной полосы с поляризационным уплотнением на расстояниях до 120 см. Впоследствии, этим же коллективом предложена система передачи данных в W-диапазоне на основе генератора оптической гребенки, с помощью которого производилась одновременная генерация ТГц-сигналов шириной полосы в 15 ГГц по трем каналам с ортогональным частотно-пространственным уплотнением со скоростью 8,3 Гбит/с в каждом из каналов [34]. Генерация основной полосы частот и прием осуществлялись по методике, описанной в работе [16], а расстояние передачи достигало двух метров.
Еще один научный коллектив представил систему передачи данных в W-диапазоне, в которой передатчик и приемник выполнены на основе архитектуры импульсного радио [35]. Данная система позволила достичь скорости в 10 Гбит/с как в воздухе, так и по волокну.
В работе [36] описана беспроводная система передачи данных на несущей частоте 140 ГГц с максимальной скоростью передачи в 10 Гбит/с на расстояние в 1,5 км не в реальном времени. Смеситель субгармоник и умножитель на основе барьерных диодов Шоттки, Н-образный полосовой фильтр, антенна Кассегрейна и другие компоненты системы были разработаны для обеспечения высокоэффективной передачи и приема. Для достижения спектральной эффективности в 2.86 бит/с/Гц применялась 16-квадратурная амплитудная модуляция.
Активно ведутся разработки систем беспроводных коммуникаций в диапазоне частот 200–240 ГГц. В работе [37] сообщается о достижении скорости передачи в 100 Гбит/с на несущей частоте 237,5 ГГц, генерируемой при смешении двух поднесущих лазеров с синхронизацией мод с помощью UTC-фотодиода. Исследованы различные режимы модуляции: осуществлена передача со скоростью 50 Гбит/с при квадратурной фазовой модуляции; 75 Гбит/с при 8-фазовой модуляции; 50 Гбит/с при квадратурной амплитудной модуляции; 100 Гбмт/с при 16-квадратурной фазовой модуляции. Дистанция передачи во всех случаях была равна 20 метрам. Прием осуществляется при помощи электронного одночипового преобразователя с понижением частоты на основе активной миллиметровой монолитной интегральной схемы. Тот же коллектив авторов впоследствии представил систему передачи данных с применением от одной до трех несущих на частотах около 237 ГГц для однополяризационной передачи на расстояние от 20 до 40 метров со скоростями от 75 до 100 Гбит/с [38]. Узкополосные сигналы ТГц-несущей генерировались фотосмешением в UTC-фотодиоде двух высокостабильных линий лазера с синхронизацией мод. Электрический сигнал на выходе фотодиода излучался при помощи рупорной антенны, оснащенной линзами. Кроме принимающей рупорной антенны с линзой приемный модуль содержал монолитные интегрированные схемы со смесителями и усилителями. Ожидается, что такое синергетическое использование ТГц-фотоники и электроники, получившее название "тератоника", должно привести к беспроводной передаче в несколько терабит в секунду на расстояния более одного километра.
Диапазон 300–400 ГГц на данный момент представляется наиболее перспективным с точки зрения скоростей передачи данных. Авторами [39] описана работающая на расстоянии 0,5 м беспроводная система передачи со скоростью 14 Гбит/с на несущей частоте 300 ГГц. ТГц-сигнал генерируется гетеродинированием света от двух источников с перестраиваемой длиной волны излучения, а затем модулируется оптическим модулятором интенсивности на основе генератора импульсных кодов, после чего оптический сигнал конвертируется в электрический с помощью UTC-фотодиода и генерируется в открытое пространство рупорной антенной. В качестве приемника применяется барьерный диод Шоттки.
В статье [29] группа японских ученых сообщает о безошибочной передаче данных на несущей частоте 300 ГГц в режиме реального времени с максимальной скоростью передачи до 40 Гбит/с для одного канала и до 48 Гбит/с для канала с поляризационным уплотнением. Показано, что при повышении пропускной способности основной полосы частот схемы детектора возможно получить скорости 50 и 100 Гбит/с для данных каналов, соответственно. Также описана 600-ГГц система, показывающая, что несущая частота может быть удвоена для обеспечения более высокой скорости передачи данных. Наконец, для применения многоуровневых схем модуляции для передачи в режиме реального времени со скоростями выше 100 Гбит/с предложен фазостабилизированный передатчик на основе оптической частотной гребенки. Работа такой схемы проверена экспериментально на несущей частоте 100 ГГц.
В работе [40] продемонстрирована передача данных на несущей частоте 300 ГГц со скоростью 12,5 Гбит/с с помощью передатчика на основе технологий фотоники и приемного модуля на основе усовершенствованного барьерного диода Шоттки. Отмечается, что возможности данной системы не ограничиваются достигнутой скоростью передачи, дальнейшие усовершенствования позволят передавать данные со скоростью до 20 и более гигабит в секунду.
Среди новейших разработок в данном диапазоне частот можно отметить работу [41], авторы которой предложили систему передачи данных на частотах выше 250 ГГц с применением амплитудной модуляции на основе оснащенного волноводом UTC-фотодиода и барьерным диодом Шоттки с интегрированной антенной в качестве приемника. Была продемонстрирована безошибочная передача со скоростью 24 Гбит/с на несущей частоте 300 ГГц на расстояние около 50 см. Кроме того, данным коллективом разработан приемник на основе монолитной интегральной схемы микроволнового диапазона с применением современной InP технологии биполярного транзистора на гетеропереходе. Для компактности устройства антенна, радиочастотный усилитель, амплитудный детектор и усилитель были полностью интегрированы на один чип. Помимо этого для дальнейшего увеличения скорости передачи данный коллектив разрабатывает ТГц-трансивер, оперирующий на частоте 300 ГГц, на основе монолитной интегральной схемы микроволнового диапазона с многоуровневой модуляцией.
В недавней работе [42] описывается линия связи со скоростью передачи 3 Гбит/с на основе квадратурной амплитудной модуляции высокого порядка (16-КАМ) и с несущей частотой 0,34 ТГц для будущих локальных беспроводных сетей. В данной системе используются гетеродинные трансиверы и техника параллельной цифровой обработки данных. При помощи двух специально разработанных антенн Кассегрейна была достигнута дистанция передачи в 50 метров. Кроме того, представлен прототип локальной беспроводной сети на частоте 0,34 ТГц на основе протокола IEEE 802.11 со скоростью передачи данных в 6,536 Мбит/с на расстоянии в 1,15 м.
Заключение
Терагерцевые коммуникации являются наиболее перспективной технологией для осуществления беспроводных локальных сетей связи в свете растущих требований к скорости передачи информации. Во многих странах ведутся работы по стандартизации и регуляции терагерцевой полосы частот [6], в то время как в Японии в 2014 году уже официально выделили полосу частот на 120 ГГц для беспроводной линии связи [43].
Будущее терагерцевых систем связи, несомненно, напрямую связано с развитием фотоники. Перспективной является интеграция фотонных и электронных устройств с использованием современных технологий изготовления, таких как кремниевая фотоника, для создания компактных и экономически эффективных ТГц-трансиверов. Уже начата разработка ТГц-усилителей мощности и предусилителей для передатчиков и приемников на основе кремниевой технологии. К примеру, недавно был разработан первый миниатюрный усилитель, работающий на частотах 1 ТГц и 1,3 ТГц с усилением в 10 и 9 Дб, соответственно [44].
За счет величины доступной полосы частот в ТГц-диапазоне даже на основе простейших методов модуляции получена скорость передачи данных в несколько десятков гигабит в секунду. В ближайшем будущем рост скорости передачи данных в беспроводных линиях связан с применением сложных многоуровневых систем модуляции и различных методов уплотнения. На сегодняшний день уже существуют прототипы беспроводных терагерцовых систем коммуникации, рекордная скорость передачи данных в которых достигает 100 Гбит/с.
Дальнейший рост скорости передаваемой в беспроводных сетях информации связан с применением импульсной ТГц-оптики. К примеру, разработан прототип установки для передачи данных с применением импульсного ТГц-источника со спектром импульса от 0,1 до 1 ТГц [45]. Кодирование информации в спектре каждого широкополосного ТГц-импульса так же, как и в последовательности импульсов, производилось по оригинальной методике, описанной в работе [46]. Кроме того, имеется возможность увеличения спектра передаваемого импульса до значения 0,1–10 ТГц, что позволит увеличить скорость передачи данных до 100 Тбит/с в локальных беспроводных сетях и системах спутниковой связи.
литература
http://www.ntt.co.jp/news2012/1209e/120920a.html#a1 – World Record One Petabit per Second Fiber Transmission over 50-km: Equivalent to Sending 5,000 HDTV Videos per Second over a Single Fiber.
Cherry, S. Edholm’s law of bandwidth. – IEEE Spectr., 2004, v.41, p.50.
Kleine-Ostmann T., Nagatsuma T. A review on terahertz communications research. – J. Infrared Millim. Terahertz Waves, 2011, v. 32, p. 143–171.
Kürner T. Towards future THz communications systems. – Terahertz Science and Technology, 2012, v.5, № .1, p. 11–17.
Curran K., Millar A., Conor Mc Garvey. Near Field Communication. – International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), 2012, № .3 (2), p. 371–382.
Kürner Th., Priebe S. Towards THz Communications – Status in Research, Standardization and Regulation. – Journal Infrared MilliTerahz Waves, 2013.
O’Brien D. C., Faulkner G. E., Zyambo E. B. et al.
High-speed integrated transceivers for optical wireless. – IEEE Communications Magazine, 2003, v. 41, p.58–62.
Wolf M. and Kress D. Short-Range Wireless Infrared Transmission: The Link budget compared to RF. – IEEE Wireless Communications, 2003, v. 10, p. 8–14.
Moeller L., Su Ke, Barat R. B., Federici J. F. THz and IR Signaling through Fog Scintillations. – European Wireless 2012, April 18–20, 2012, Poznan, Poland.
Ke Su, Moeller L., Barat R. B., and Federici J. F. Experimental comparison of performance degradation from terahertz and infrared wireless links in fog. – J. Opt. Soc. Am. A, 2012, v. 29, № 2, p. 179–184.
Piesiewicz R., Jansen C., Mittleman D. et al. Scattering Analysis for the Modeling of THz Communication Systems. – IEEE Transactions On Antennas And Propagation, 2007, v. 55, № 11, p. 3002–3009.
Mandehgar M., Yang Y., and Grischkowsky D. Atmosphere characterization for simulation of the two optimal wireless terahertz digital communication links. – Optics Letters, 2013, v. 38, № 17, p. 3437–3440.
Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology. – Nature Photon. 2007, v. 1, p. 97–105.
Hirata A., Takahashi H., Yamaguchi R. et al. Transmission Characteristics of 120-GHz-Band Wireless Link Using Radio-on-Fiber Technologies. – Journal of Lightwave Technology, 2008, v. 26, № 15, p. 2338–44.
Federici J. and Moeller L. Review of terahertz and subterahertz wireless communications. – Journal of Applied Physics, 2010, v. 107, № 11, p. 111101.
Pang X., Caballero A., Dogadaev A., et al. 100 Gbit/s hybrid optical fiber-wireless link in the W-band (75–110 GHz) – Optics Express, 2011, v. 19, №. 25, p. 24944–49.
Jacob M., Priebe S., Dickhoff R. et al. Diffraction in mm and Sub-mm Wave Indoor Propagation Channels. – IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 2012, v. 60, № 3, p. 833–844.
Deng L., Beltrán M., Pang X. et al. Fiber Wireless Transmission of 8.3 Gb/s/ch QPSK-OFDM Signals in 75–110 GHz Band. – IEEE Photonics Technology Letters, 2012, v. 24, № 5.
Nagatsuma T., Horiguchi Sh., Minamikata Y. et al. Terahertz wireless communications based on photonics technologies. – OSA Optics Express, 2013, v. 21, №. 20, p. 23736–47.
Bespalov V. G. Superbroad-band pulsed radiation in the terahertz region of the spectrum: production and application. – Journal of Optical Technology, 2006, v. 73, № 11, p.764–771.
Shams H., Fice M. J., Balakier K. et al. Photonic generation for multichannel THz wireless communication. – OSA, 2014, v. 22, №. 19.
Nagatsuma T. Photonic Generation of Extreme Broadband RF Signals for Communications and Sensing. – IEEE, 2013.
Nagatsuma T. Terahertz technologies: present and future. – IEICE Electronics Express, 2011, v. 8, № 14, p. 1127–42.
Ishibashi T., Shimizu N., Kodama S. et al. Uni-traveling-carrier photodiodes. – Ultrafast Electronics and Optoelectronics, Tech. Digest, Lake Tahoe, USA (1997), p. 83–87.
Nguyen T. K., Kim S., Rotermund F.and Park I. Design of a wideband continuous-wave photomixer antenna for terahertz wireless communication systems. – Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2014, v. 28, № 8, 976–988.
Stöhr A., Babiel S., Cannard P. J.et al. Millimeter-Wave Photonic Components for Broadband Wireless Systems. – 2010, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, v. 58, № 11, p. 3071–82
Preußler S., Wenzel N., Braun R. – P., Owschimikow N. et al. Generation of ultra-narrow, stable and tunable millimeter- and terahertz- waves with very low phase noise. – OSA, 2013, v. 21, № 20, p. 23950–62.
Nagatsuma T., Ito H., Ishibashi T. High-power RF photodiodes and their applications. – Laser Photonics Rev., 2009, v. 3, № 1–2, p. 123–137.
Tadao Nagatsuma. 300-GHz-band Wireless Communications with High-power Photonic Sources. – IEEE, 2014.
L. Moeller, J. Federici, Ke Su. THz Wireless Communications: 2.5 Gb/s Error-free Transmission at 625 GHz using a Narrow-bandwidth 1 mW THz Source. – IEEE, 2011.
Bowden B., Harrington J. A., Mitrofanov O. Fabrication of terahertz hollow-glass metallic waveguides with inner dielectric coatings. – J. of Applied Physics, 2008, v. 104, p. 093110.
Nagatsuma T., Hirata A., Royter Y. et al. BA 120-GHz integrated photonic transmitter. – Proc. Int. Top. Meet. MWP, Sep. 2000, p. 225–228.
Hirata A., Kosugi T., Takahashi H. et al. 120-GHz-band wireless link technologies for outdoor 10-Gbit/s data transmission. – IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2012, v. 60, no. 3, p. 881–895.
Deng L., Beltrán M., Pang X. et al. Fiber Wireless Transmission of 8.3 Gb/s/ch QPSK-OFDM Signals in 75–110 GHz Band. – IEEE Photonics Technology Letters, 2012, v. 24, № 5.
Y. Nakasha, M. Sato, T. Tajima et al. W-band Transmitter and Receiver for 10-Gb/s Impulse Radio With an Optical-Fiber Interface. – IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2009, v. 57, № 12, p. 3171–3180.
Wang Ch., Lin Ch., Chen Qi. et al. A 10-Gbit/s Wireless Communication Link Using 16-QAM Modulation in 140-GHz Band. – IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, 2013, v. 61, № 7, p. 2737–46.
Koenig S., Boes F., Lopez-Diaz D. et al. 100 Gbit/s Wireless Link with mm-Wave Photonics. OFC/NFOEC Postdeadline Papers, 2013.
Freude W., Koenig S., Lopez-Diaz D. et al. Wireless Communications on THz Carriers Takes Shape. – IEEE ICTON, 2014.
Nagatsuma T., Takada T., Song H. – J. et al. Millimeter- and THz-wave photonics toward 100 Gbps wireless transmission. – 23rd Photonics Society Annual Meeting, Denver, CO, USA, 2010.
Ho-Jin Song, Ajito K., Wakatsuki A. et al. Terahertz Wireless Communication Link at 300 GHz. – IEEE, 2010.
Ho-Jin Song, Tajima T., Yaita M., Kagami O. Recent Progress on Terahertz Communications at 300 GHz for Practical Short-Range Applications. – IEEE General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), 2014, p. 1–3.
Wang Ch., Lu B., Lin Ch. et al. 0.34 – THz Wireless Link Based on High – Order Modulation for Future Wireless Local Area Network Applications. – IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2014, v. 4, № 1, p. 75–85.
Tadao Nagatsuma. Breakthroughs in Photonics 2013: THz Communications Based on Photonics. – IEEE Photonics Journal, 2014, v. 6, № 2.
http://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/wireless/darpa-builds-first-terahertz-amplifier?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+IeeeSpectrum+%28IEEE+Spectrum%29 – Neil Savage, First Terahertz Amplifier "Goes to 11", IEEE Spectr. 2014.
Kozlov S., Grachev Ya., Liu X. et al. Data spectral encoding method with pulsed terahertz sources. –2015 EMN/Optoelectronics Meeting at Beijing, China April – Invited.
Tsypkin A., Putilin S., Mel’nik M. et al. The transmission of 45 bits of information by a pair of interfering femtosecond pulseswith superwide spectra. – J. Opt. Technol., 2013, v.80, p. 466.
Высокая скорость передачи данных в волоконно-оптических сетях, достигающая уровня петабит в секунду [1], ведет за собой возрастающие требования к объему и скорости передачи данных в системах беспроводного доступа. Согласно закону Эдхольма о росте скорости передачи данных в беспроводных линиях связи [2], уже к 2020 году потребуются скорости в десятки и сотни Гбит/с – не менее 24 Гбит/с для трансляции телевизионных данных с ультравысоким разрешением (UHDTV); и 100 Гбит/с для поддержки 100G Ethernet [3, 4]. Технологии обмена данными на малых расстояниях [5] также требуют увеличения скорости передачи данных между компонентами различных устройств и оборудования (рис.1)[6].
Использование ИК-диапазона частот для высокоскоростной передачи данных не представляется возможным: скорость передачи в данном диапазоне ограничена сотнями мегабит в секунду [7], это связано с малой чувствительностью приемников излучения, диффузными потерями на отражение, наличием сильного светового шума в окружающей среде, а также ограничением по мощности излучения из-за опасности повреждения органов зрения [8]. Таким образом, для достижения скоростей 10–100 Гбит/с в беспроводных сетях возможно использовать два пути: первый подразумевает увеличение спектральной эффективности каналов связи до десятков бит/с/Гц; второй заключается в увеличении полосы частот до нескольких десятков гигагерц. Последний подход представляется наиболее целесообразным и предполагает использование терагерцевого диапазона частот (0,1–10 ТГц), поскольку именно в данном диапазоне располагается необходимый по величине участок незарезервированного спектра.
Существуют и другие преимущества применения субмиллиметровых волн в линиях беспроводной связи по сравнению с ближним ИК-диапазоном спектра. Во-первых, ТГц-сигналы испытывают меньшее по сравнению с ИК-сигналами ослабление при тех же погодных условиях – например, при тумане [9, 10]. Во-вторых, амплитудно-фазовые флуктуации, вызванные локальными изменениями показателя преломления атмосферы, также практически не влияют на распространение ТГц-излучения, но ограничивают применение систем на основе ИК-излучения [9–11]. Описанные преимущества характерны для частот, попадающих в окна прозрачности атмосферы, а именно в диапазонах 75–100; 110–150; 200–300 и 600–700 ГГц [12]. При столь широких доступных полосах частот даже при применении простейшей амплитудной модуляции могут быть достигнуты скорости передачи данных в десятки гигабит в секунду [13, 14]. Еще одно преимущество ТГц-линий связи заключается в возможности осуществления на их основе систем защищенных коммуникаций [15].
Поскольку ТГц-излучение сильно ослабляется при распространении в атмосфере, как это показано на рис. 2, то область применения ТГц-связи в основном ограничена локальными сетями беспроводного доступа. При необходимости переноса ТГц-сигналов на дальние дистанции применяют технологию модуляции на ТГц-частотах оптических сигналов, передаваемых по волокну [14, 16]. Характеристики поглощения и рассеяния канала распространения ТГц-излучения внутри помещений исследуются теоретически и экспериментально с учетом диффузного рассеяния волн на неровностях поверхностей, отражения от многослойных структур и дифракции [11, 17].
Подходы к реализации
ТГц-беспроводных линий связи
ТГц-системы беспроводной связи подразделяются на оптические, электронные и гибридные, в зависимости от используемых компонентов. Наибольшее распространение к данному моменту получили именно гибридные (смешанные) системы, поскольку на данном этапе развития фотоники и электроники именно сочетание электронных и оптических устройств позволяет достичь рекордных скоростей передачи данных.
Гибридная беспроводная линия ТГц-связи может быть реализована на основе двух подходов, в зависимости от метода генерации ТГц-сигнала. При одном подходе генерация ТГц-сигнала осуществляется технологиями фотоники, при другом – технологиями электроники. Было показано, что подход к генерации ТГц-сигнала на основе технологий фотоники наиболее целесообразен с точки зрения ширины используемой полосы частот, возможностей перестройки и стабильности, и может применяться для достижения скоростей передачи данных до 10 Гбит/с и более, поскольку доступны телекоммуникационные компоненты, такие как лазеры, модуляторы и фотодиоды, работающие на таких скоростях. Применение оптоволоконных кабелей позволяет передавать высокочастотные радиосигналы на длинные дистанции [16, 34]. Кроме того, безусловным преимуществом подхода на основе фотоники, является тот факт, что оптоволоконные и беспроводные коммуникационные сети могут органично соединяться с точки зрения скорости передачи данных и формата модуляции [15, 18, 19].
Данная работа посвящена последним достижениям в области реализации гибридных и полностью оптических беспроводных систем ТГц-связи на несущих частотах более 100 ГГц с применением технологий фотоники для генерации сигналов.
Компоненты и конфигурации схем генерации сигнала
Методы генерации оптических сигналов на основе технологий фотоники, наиболее эффективно применяемые в беспроводных системах ТГц-связи, включают генерацию ТГц-сигналов сверхбыстрыми импульсными лазерами [20] и гетеродинирование оптических биений (фотосмешение) непрерывного излучения [3, 19, 21–23]. Общая схема генерации оптического сигнала методами фотоники изображена на рис.3. Оптический сигнал, интенсивность которого модулируется на ТГц-частотах, сначала генерируется оптическим источником (с импульсным или непрерывным излучением), а затем кодируется электрооптическим модулятором на основе интерферометра Маха-Цандера. Наконец, огибающая оптического сигнала конвертируется в ТГц-сигнал фотодиодом или фотопроводником, после чего он испускается в открытое пространство антенной. В некоторых случаях за фотодиодом помещают усилитель мощности и/или частотный умножитель, если только данные электронные устройства доступны на нужных частотах. В качестве генератора оптического сигнала чаще всего применяются ИК-полупроводниковые лазеры, поэтому неотъемлемой частью таких схем являются надежные и экономически выгодные телекоммуникационные компоненты: оптическое волокно, эрбиевые волоконные усилители и полупроводниковые лазерные усилители. Для модуляции ТГц-сигналом эффективно применяется управление напряжением смещения конвертора [19].
В случае генерации сигналов методами фотоники оптоэлектронный преобразователь (фотодиод или фотопроводник), работающий на длинах волн 1,3–1,55 мкм, является ключевым компонентом: в дополнение к оптическим источникам сигнала он, в конечном счете, определяет производительность передачи в отношении пропускной способности и мощности [22]. Наиболее распространенными и коммерчески доступными являются фотопроводники на основе выращенных при низкой температуре структур GaAs (LT-GaAs) для длин волн лазерного излучения 700–900 нм, и на основе структур LT-InGaAs для длин волн 1300–1600 нм [23, 24]. На практике фотопроводящие материалы чаще всего исполняют роль переключателей, заключенных в структуру металлических (к примеру, золотых) антенн, образуя фотопроводящие антенны. При освещении такой структуры импульсами фемтосекундной длительности фотопроводящий переключатель переходит из изолирующего в проводящее состояние. В результате перехода возникает короткий импульс тока, который и является источником ТГц-излучения.
Фотопроводники и фотопроводящие антенны применяются как с импульсными, так и с непрерывными источниками оптического сигнала, тогда как фотодиоды с точки зрения выходной мощности более эффективны в сочетании с непрерывными источниками. Для генерации и регистрации непрерывного ТГц-излучения применяют метод фотосмешения [3, 19, 21–23]. При данном подходе генерация ТГц-излучения происходит в результате гетеродинного смешения и введения в фотопроводящую структуру или фотодиод двух световых волн разной частоты. На рис.4а схематично изображена реализация данного метода с помощью двух лазерных источников с перестраиваемыми длинами волн. Данная техника генерации обладает рядом преимуществ для применения в ТГц-беспроводных системах связи: она обеспечивает наибольший диапазон перестройки частоты излучения – от ГГц- до ТГц-региона. Помимо этого, при данном подходе не возникает необходимости в дорогостоящих электронных устройствах, работающих на частотах миллиметрового и/или ТГц-диапазона. Нужно, однако, отметить, что для эффективного фотосмешения поляризация, частоты и фазы вводимых оптических пучков должны быть постоянны, поэтому необходимо вводить в схему системы фазовой синхронизации. Таким образом, применение оптических смесителей для ТГц-генерации имеет ряд преимуществ – они недорогие, компактные, работают при комнатной температуре и допоскуют перестройку частоты излучения. Однако, довольно узкая полоса пропускания, вызванная присоединяемыми к ним для большей эффективности излучения антеннами, ограничивает применение смесителей в ТГц-беспроводных системах коммуникации, поскольку для дальнейшего увеличения скорости передачи данных необходимы большие полосы частот. Выходом может являться разработка смесительных антенн с высокой спектральной полосой пропускания и эффективностью, а также большим усилением (для компенсации потерь мощности излучения при распространении сигнала в воздухе). Например, в [25] сообщалось о создании антенны на основе фотонно-кристаллической структуры, полностью покрывающей диапазон от 275 до 320 ГГц. Ранее были разработаны фотосмесители со встроенной антенной, и на их основе продемонстрирована генерация излучения с перестраиваемой частотой в диапазоне 30–300 ГГц [26].
На рису. 4б показана другая гетеродинная техника генерации ТГц-излучения, которая позволяет получать сигналы с низким фазовым шумом [27–29]. Ключевыми компонентами являются генератор оптической частотной гребенки и оптический фильтр, выделяющий две частоты оптической гребенки. Оптическую частотную гребенку получают либо с помощью лазерной системы с синхронизацией мод, либо модуляцией непрерывного пучка лазерного излучения. Таким образом, генерируются многочастотные оптические сигналы, интервалы между которыми равны межмодовой частоте f0 для лазеров с синхронизацией мод, причем все моды синхронизированы по фазе. Выделение и комбинация двух мод осуществляется между модами с интервалом Nf0. Основная частота f0 обычно находится в диапазоне от 10 до 30 ГГц, для которого оптические модуляторы и управляющие электронные устройства коммерчески доступны, и фактор умножения N может достигать значений более 50. Поскольку возможна точная перестройка f0 с помощью синтезированного генератора сигнала, то частота сигнала на выходе может непрерывно меняться от f0 до Nf0.
Как отмечалось выше, во всех гибридных схемах при генерации ТГц-сигнала методами фотоники оптоэлектронный преобразователь является ключевым компонентом. Для высокоскоростной передачи данных в беспроводных ТГц-системах связи с несущими частотами более 100 ГГц необходимы мощные оптоэлектронные преобразователи, работающие на высоких частотах.
Среди фотодиодов для диапазона 1550 нм наибольшей мощностью на выходе обладают сверхбыстродействующие фотодиоды бегущей волны, с раздельными областями поглощения излучения и разделения фотоносителей c расширенным динамическим диапазоном (Uni-Travelling-Carrier или UTC-PD) для аналоговых волоконно-оптических линий связи, и их модификации: получена мощность более 20 мВт на частоте 100 ГГц, более 500 мкВт на частоте 350 ГГц, более 100 мкВт в диапазоне 350–450 ГГц и более 10 мкВт на частоте 1 ТГц- [23,24,26,28]. Часто для увеличения эффективности фотодиода его интегрируют с плоской антенной.
Для практического применения UTC-фотодиодов в системах беспроводной ТГц-связи необходимо увеличить выходную мощность на частотах выше 500 ГГц более чем на порядок. Работы над увеличением мощности фотодиодов ведутся по трем основным направлениям: устранение проблемы нагрева в UTC-фотодиодах; разработка эффективного соединения между фотодиодом и антенной и создание массивов фотодиодов и антенн. Кроме того, поскольку усилители мощности, оперирующие на данных полосах частот, пока коммерчески не доступны, одним из наиболее эффективных подходов является использование частотного умножителя. К примеру, Моэлер и др. [30] получили с помощью такого подхода выходную мощность в более чем 1 мВт на частоте 625 ГГц, начав с основной частоты 13 ГГц.
Для эффективного соединения фотодиодов и антенн разрабатывают ТГц-волноводы. К примеру, были разработаны фотодиодные модули с полыми прямоугольными волноводами для W-полосы частот (75–110 ГГц), F-полосы (90–140 ГГц), D-полосы (110–170 ГГц) и J-полосы (220–325 ГГц) [26]. Ведутся работы по созданию волноводов для более высоких частот – например, разработан полый стеклянно-металлический волновод с наименьшим затуханием 0,95 дБ/м для частоты 2,5 ТГц [31].
Основные методы регистрации
Для детектирования ТГц-сигналов применяют два основных подхода – прямое детектирование и гетеродинное (рис.5). В качестве приемника чаще всего используют диоды с барьером Шоттки (ДБШ) и болометры. Прямое детектирование (рис.5а) является наиболее распространенной методикой для измерения амплитуды или мощности ТГц-излучения, предельная частота детектирования ДБШ может достигать 10 ТГц при применении материалов на основе GaAs и 1,5 ТГц при применении 130-нм кремниевой технологии КМОП. Гетеродинное детектирование на основе ДБШ смесителя и местного генератора колебаний (гетеродина) (рис. 5б) предоставляет большую чувствительность и фазовую информацию о ТГц-сигнале. На рисунке 5в и 5г показаны схемы гетеродинного детектирования с гетеродинами, в которых генерация ТГц- сигнала осуществляется методами фотоники. Преимущество схемы на рис. 5в состоит в том, что сигнал ТГц-гетеродина можно подвести с помощью оптического волокна, а полоса пропускания приемника увеличивается за счет возможностей более широкой перестройки частоты при генерации сигнала ИК полупроводниковыми лазерами [23]. В сочетании с фотосмесителями гетеродинная схема на рис. 5г предоставляет наибольшую полосу пропускания. В качестве фотосмесителей обычно применяют фотопроводники, фотопроводящие антенны и фотодиоды.
Демонстрации систем беспроводной ТГц-связи
Впервые ТГц-беспроводная система связи с несущей частотой более 100 ГГц была представлена в 2000 году компанией NTT [32]. Система представляла собой беспроводную линию с несущей частотой 120 ГГц, в которой генерация и модуляция сигналов осуществлялась средствами фотоники. Достижение беспрецедентной скорости передачи в 10 Гбит/с [14] подтолкнуло развитие электронных компонентов для беспроводных систем связи, и впоследствии была разработана уже полностью электронная беспроводная система на основе КМОП, с помощью которой в 2008 году была проведена трансляция в режиме реального времени Олимпийских игр в Бейджинге [33]. После этого разработка систем ТГц-беспроводной связи продолжилась быстрыми темпами: в течение следующих лет были опубликованы результаты экспериментов по передаче данных на несущих частотах 75–110 ГГц [16, 34, 35], 140 ГГц [36], 200–240 ГГц [37, 38], 250–400 ГГц [7, 29, 39, 40, 42], 625 ГГц [29, 30].
Разработкой беспроводных коммуникационных систем на основе подходов фотоники в полосе частот 75–110 ГГц (W-диапазон) занимается ряд научных коллективов. Было продемонстрировано несколько таких систем: например, в работе [16] описана 100-Гбит/с гибридная беспроводная линия связи на основе оптической гетеродинной ап-конверсии 12,5 Гбит оптического 16-КАМ сигнала основной полосы с поляризационным уплотнением на расстояниях до 120 см. Впоследствии, этим же коллективом предложена система передачи данных в W-диапазоне на основе генератора оптической гребенки, с помощью которого производилась одновременная генерация ТГц-сигналов шириной полосы в 15 ГГц по трем каналам с ортогональным частотно-пространственным уплотнением со скоростью 8,3 Гбит/с в каждом из каналов [34]. Генерация основной полосы частот и прием осуществлялись по методике, описанной в работе [16], а расстояние передачи достигало двух метров.
Еще один научный коллектив представил систему передачи данных в W-диапазоне, в которой передатчик и приемник выполнены на основе архитектуры импульсного радио [35]. Данная система позволила достичь скорости в 10 Гбит/с как в воздухе, так и по волокну.
В работе [36] описана беспроводная система передачи данных на несущей частоте 140 ГГц с максимальной скоростью передачи в 10 Гбит/с на расстояние в 1,5 км не в реальном времени. Смеситель субгармоник и умножитель на основе барьерных диодов Шоттки, Н-образный полосовой фильтр, антенна Кассегрейна и другие компоненты системы были разработаны для обеспечения высокоэффективной передачи и приема. Для достижения спектральной эффективности в 2.86 бит/с/Гц применялась 16-квадратурная амплитудная модуляция.
Активно ведутся разработки систем беспроводных коммуникаций в диапазоне частот 200–240 ГГц. В работе [37] сообщается о достижении скорости передачи в 100 Гбит/с на несущей частоте 237,5 ГГц, генерируемой при смешении двух поднесущих лазеров с синхронизацией мод с помощью UTC-фотодиода. Исследованы различные режимы модуляции: осуществлена передача со скоростью 50 Гбит/с при квадратурной фазовой модуляции; 75 Гбит/с при 8-фазовой модуляции; 50 Гбит/с при квадратурной амплитудной модуляции; 100 Гбмт/с при 16-квадратурной фазовой модуляции. Дистанция передачи во всех случаях была равна 20 метрам. Прием осуществляется при помощи электронного одночипового преобразователя с понижением частоты на основе активной миллиметровой монолитной интегральной схемы. Тот же коллектив авторов впоследствии представил систему передачи данных с применением от одной до трех несущих на частотах около 237 ГГц для однополяризационной передачи на расстояние от 20 до 40 метров со скоростями от 75 до 100 Гбит/с [38]. Узкополосные сигналы ТГц-несущей генерировались фотосмешением в UTC-фотодиоде двух высокостабильных линий лазера с синхронизацией мод. Электрический сигнал на выходе фотодиода излучался при помощи рупорной антенны, оснащенной линзами. Кроме принимающей рупорной антенны с линзой приемный модуль содержал монолитные интегрированные схемы со смесителями и усилителями. Ожидается, что такое синергетическое использование ТГц-фотоники и электроники, получившее название "тератоника", должно привести к беспроводной передаче в несколько терабит в секунду на расстояния более одного километра.
Диапазон 300–400 ГГц на данный момент представляется наиболее перспективным с точки зрения скоростей передачи данных. Авторами [39] описана работающая на расстоянии 0,5 м беспроводная система передачи со скоростью 14 Гбит/с на несущей частоте 300 ГГц. ТГц-сигнал генерируется гетеродинированием света от двух источников с перестраиваемой длиной волны излучения, а затем модулируется оптическим модулятором интенсивности на основе генератора импульсных кодов, после чего оптический сигнал конвертируется в электрический с помощью UTC-фотодиода и генерируется в открытое пространство рупорной антенной. В качестве приемника применяется барьерный диод Шоттки.
В статье [29] группа японских ученых сообщает о безошибочной передаче данных на несущей частоте 300 ГГц в режиме реального времени с максимальной скоростью передачи до 40 Гбит/с для одного канала и до 48 Гбит/с для канала с поляризационным уплотнением. Показано, что при повышении пропускной способности основной полосы частот схемы детектора возможно получить скорости 50 и 100 Гбит/с для данных каналов, соответственно. Также описана 600-ГГц система, показывающая, что несущая частота может быть удвоена для обеспечения более высокой скорости передачи данных. Наконец, для применения многоуровневых схем модуляции для передачи в режиме реального времени со скоростями выше 100 Гбит/с предложен фазостабилизированный передатчик на основе оптической частотной гребенки. Работа такой схемы проверена экспериментально на несущей частоте 100 ГГц.
В работе [40] продемонстрирована передача данных на несущей частоте 300 ГГц со скоростью 12,5 Гбит/с с помощью передатчика на основе технологий фотоники и приемного модуля на основе усовершенствованного барьерного диода Шоттки. Отмечается, что возможности данной системы не ограничиваются достигнутой скоростью передачи, дальнейшие усовершенствования позволят передавать данные со скоростью до 20 и более гигабит в секунду.
Среди новейших разработок в данном диапазоне частот можно отметить работу [41], авторы которой предложили систему передачи данных на частотах выше 250 ГГц с применением амплитудной модуляции на основе оснащенного волноводом UTC-фотодиода и барьерным диодом Шоттки с интегрированной антенной в качестве приемника. Была продемонстрирована безошибочная передача со скоростью 24 Гбит/с на несущей частоте 300 ГГц на расстояние около 50 см. Кроме того, данным коллективом разработан приемник на основе монолитной интегральной схемы микроволнового диапазона с применением современной InP технологии биполярного транзистора на гетеропереходе. Для компактности устройства антенна, радиочастотный усилитель, амплитудный детектор и усилитель были полностью интегрированы на один чип. Помимо этого для дальнейшего увеличения скорости передачи данный коллектив разрабатывает ТГц-трансивер, оперирующий на частоте 300 ГГц, на основе монолитной интегральной схемы микроволнового диапазона с многоуровневой модуляцией.
В недавней работе [42] описывается линия связи со скоростью передачи 3 Гбит/с на основе квадратурной амплитудной модуляции высокого порядка (16-КАМ) и с несущей частотой 0,34 ТГц для будущих локальных беспроводных сетей. В данной системе используются гетеродинные трансиверы и техника параллельной цифровой обработки данных. При помощи двух специально разработанных антенн Кассегрейна была достигнута дистанция передачи в 50 метров. Кроме того, представлен прототип локальной беспроводной сети на частоте 0,34 ТГц на основе протокола IEEE 802.11 со скоростью передачи данных в 6,536 Мбит/с на расстоянии в 1,15 м.
Заключение
Терагерцевые коммуникации являются наиболее перспективной технологией для осуществления беспроводных локальных сетей связи в свете растущих требований к скорости передачи информации. Во многих странах ведутся работы по стандартизации и регуляции терагерцевой полосы частот [6], в то время как в Японии в 2014 году уже официально выделили полосу частот на 120 ГГц для беспроводной линии связи [43].
Будущее терагерцевых систем связи, несомненно, напрямую связано с развитием фотоники. Перспективной является интеграция фотонных и электронных устройств с использованием современных технологий изготовления, таких как кремниевая фотоника, для создания компактных и экономически эффективных ТГц-трансиверов. Уже начата разработка ТГц-усилителей мощности и предусилителей для передатчиков и приемников на основе кремниевой технологии. К примеру, недавно был разработан первый миниатюрный усилитель, работающий на частотах 1 ТГц и 1,3 ТГц с усилением в 10 и 9 Дб, соответственно [44].
За счет величины доступной полосы частот в ТГц-диапазоне даже на основе простейших методов модуляции получена скорость передачи данных в несколько десятков гигабит в секунду. В ближайшем будущем рост скорости передачи данных в беспроводных линиях связан с применением сложных многоуровневых систем модуляции и различных методов уплотнения. На сегодняшний день уже существуют прототипы беспроводных терагерцовых систем коммуникации, рекордная скорость передачи данных в которых достигает 100 Гбит/с.
Дальнейший рост скорости передаваемой в беспроводных сетях информации связан с применением импульсной ТГц-оптики. К примеру, разработан прототип установки для передачи данных с применением импульсного ТГц-источника со спектром импульса от 0,1 до 1 ТГц [45]. Кодирование информации в спектре каждого широкополосного ТГц-импульса так же, как и в последовательности импульсов, производилось по оригинальной методике, описанной в работе [46]. Кроме того, имеется возможность увеличения спектра передаваемого импульса до значения 0,1–10 ТГц, что позволит увеличить скорость передачи данных до 100 Тбит/с в локальных беспроводных сетях и системах спутниковой связи.
литература
http://www.ntt.co.jp/news2012/1209e/120920a.html#a1 – World Record One Petabit per Second Fiber Transmission over 50-km: Equivalent to Sending 5,000 HDTV Videos per Second over a Single Fiber.
Cherry, S. Edholm’s law of bandwidth. – IEEE Spectr., 2004, v.41, p.50.
Kleine-Ostmann T., Nagatsuma T. A review on terahertz communications research. – J. Infrared Millim. Terahertz Waves, 2011, v. 32, p. 143–171.
Kürner T. Towards future THz communications systems. – Terahertz Science and Technology, 2012, v.5, № .1, p. 11–17.
Curran K., Millar A., Conor Mc Garvey. Near Field Communication. – International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE), 2012, № .3 (2), p. 371–382.
Kürner Th., Priebe S. Towards THz Communications – Status in Research, Standardization and Regulation. – Journal Infrared MilliTerahz Waves, 2013.
O’Brien D. C., Faulkner G. E., Zyambo E. B. et al.
High-speed integrated transceivers for optical wireless. – IEEE Communications Magazine, 2003, v. 41, p.58–62.
Wolf M. and Kress D. Short-Range Wireless Infrared Transmission: The Link budget compared to RF. – IEEE Wireless Communications, 2003, v. 10, p. 8–14.
Moeller L., Su Ke, Barat R. B., Federici J. F. THz and IR Signaling through Fog Scintillations. – European Wireless 2012, April 18–20, 2012, Poznan, Poland.
Ke Su, Moeller L., Barat R. B., and Federici J. F. Experimental comparison of performance degradation from terahertz and infrared wireless links in fog. – J. Opt. Soc. Am. A, 2012, v. 29, № 2, p. 179–184.
Piesiewicz R., Jansen C., Mittleman D. et al. Scattering Analysis for the Modeling of THz Communication Systems. – IEEE Transactions On Antennas And Propagation, 2007, v. 55, № 11, p. 3002–3009.
Mandehgar M., Yang Y., and Grischkowsky D. Atmosphere characterization for simulation of the two optimal wireless terahertz digital communication links. – Optics Letters, 2013, v. 38, № 17, p. 3437–3440.
Tonouchi M. Cutting-edge terahertz technology. – Nature Photon. 2007, v. 1, p. 97–105.
Hirata A., Takahashi H., Yamaguchi R. et al. Transmission Characteristics of 120-GHz-Band Wireless Link Using Radio-on-Fiber Technologies. – Journal of Lightwave Technology, 2008, v. 26, № 15, p. 2338–44.
Federici J. and Moeller L. Review of terahertz and subterahertz wireless communications. – Journal of Applied Physics, 2010, v. 107, № 11, p. 111101.
Pang X., Caballero A., Dogadaev A., et al. 100 Gbit/s hybrid optical fiber-wireless link in the W-band (75–110 GHz) – Optics Express, 2011, v. 19, №. 25, p. 24944–49.
Jacob M., Priebe S., Dickhoff R. et al. Diffraction in mm and Sub-mm Wave Indoor Propagation Channels. – IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, 2012, v. 60, № 3, p. 833–844.
Deng L., Beltrán M., Pang X. et al. Fiber Wireless Transmission of 8.3 Gb/s/ch QPSK-OFDM Signals in 75–110 GHz Band. – IEEE Photonics Technology Letters, 2012, v. 24, № 5.
Nagatsuma T., Horiguchi Sh., Minamikata Y. et al. Terahertz wireless communications based on photonics technologies. – OSA Optics Express, 2013, v. 21, №. 20, p. 23736–47.
Bespalov V. G. Superbroad-band pulsed radiation in the terahertz region of the spectrum: production and application. – Journal of Optical Technology, 2006, v. 73, № 11, p.764–771.
Shams H., Fice M. J., Balakier K. et al. Photonic generation for multichannel THz wireless communication. – OSA, 2014, v. 22, №. 19.
Nagatsuma T. Photonic Generation of Extreme Broadband RF Signals for Communications and Sensing. – IEEE, 2013.
Nagatsuma T. Terahertz technologies: present and future. – IEICE Electronics Express, 2011, v. 8, № 14, p. 1127–42.
Ishibashi T., Shimizu N., Kodama S. et al. Uni-traveling-carrier photodiodes. – Ultrafast Electronics and Optoelectronics, Tech. Digest, Lake Tahoe, USA (1997), p. 83–87.
Nguyen T. K., Kim S., Rotermund F.and Park I. Design of a wideband continuous-wave photomixer antenna for terahertz wireless communication systems. – Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 2014, v. 28, № 8, 976–988.
Stöhr A., Babiel S., Cannard P. J.et al. Millimeter-Wave Photonic Components for Broadband Wireless Systems. – 2010, IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, v. 58, № 11, p. 3071–82
Preußler S., Wenzel N., Braun R. – P., Owschimikow N. et al. Generation of ultra-narrow, stable and tunable millimeter- and terahertz- waves with very low phase noise. – OSA, 2013, v. 21, № 20, p. 23950–62.
Nagatsuma T., Ito H., Ishibashi T. High-power RF photodiodes and their applications. – Laser Photonics Rev., 2009, v. 3, № 1–2, p. 123–137.
Tadao Nagatsuma. 300-GHz-band Wireless Communications with High-power Photonic Sources. – IEEE, 2014.
L. Moeller, J. Federici, Ke Su. THz Wireless Communications: 2.5 Gb/s Error-free Transmission at 625 GHz using a Narrow-bandwidth 1 mW THz Source. – IEEE, 2011.
Bowden B., Harrington J. A., Mitrofanov O. Fabrication of terahertz hollow-glass metallic waveguides with inner dielectric coatings. – J. of Applied Physics, 2008, v. 104, p. 093110.
Nagatsuma T., Hirata A., Royter Y. et al. BA 120-GHz integrated photonic transmitter. – Proc. Int. Top. Meet. MWP, Sep. 2000, p. 225–228.
Hirata A., Kosugi T., Takahashi H. et al. 120-GHz-band wireless link technologies for outdoor 10-Gbit/s data transmission. – IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2012, v. 60, no. 3, p. 881–895.
Deng L., Beltrán M., Pang X. et al. Fiber Wireless Transmission of 8.3 Gb/s/ch QPSK-OFDM Signals in 75–110 GHz Band. – IEEE Photonics Technology Letters, 2012, v. 24, № 5.
Y. Nakasha, M. Sato, T. Tajima et al. W-band Transmitter and Receiver for 10-Gb/s Impulse Radio With an Optical-Fiber Interface. – IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2009, v. 57, № 12, p. 3171–3180.
Wang Ch., Lin Ch., Chen Qi. et al. A 10-Gbit/s Wireless Communication Link Using 16-QAM Modulation in 140-GHz Band. – IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, 2013, v. 61, № 7, p. 2737–46.
Koenig S., Boes F., Lopez-Diaz D. et al. 100 Gbit/s Wireless Link with mm-Wave Photonics. OFC/NFOEC Postdeadline Papers, 2013.
Freude W., Koenig S., Lopez-Diaz D. et al. Wireless Communications on THz Carriers Takes Shape. – IEEE ICTON, 2014.
Nagatsuma T., Takada T., Song H. – J. et al. Millimeter- and THz-wave photonics toward 100 Gbps wireless transmission. – 23rd Photonics Society Annual Meeting, Denver, CO, USA, 2010.
Ho-Jin Song, Ajito K., Wakatsuki A. et al. Terahertz Wireless Communication Link at 300 GHz. – IEEE, 2010.
Ho-Jin Song, Tajima T., Yaita M., Kagami O. Recent Progress on Terahertz Communications at 300 GHz for Practical Short-Range Applications. – IEEE General Assembly and Scientific Symposium (URSI GASS), 2014, p. 1–3.
Wang Ch., Lu B., Lin Ch. et al. 0.34 – THz Wireless Link Based on High – Order Modulation for Future Wireless Local Area Network Applications. – IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2014, v. 4, № 1, p. 75–85.
Tadao Nagatsuma. Breakthroughs in Photonics 2013: THz Communications Based on Photonics. – IEEE Photonics Journal, 2014, v. 6, № 2.
http://spectrum.ieee.org/tech-talk/telecom/wireless/darpa-builds-first-terahertz-amplifier?utm_source=feedburner&utm_medium=feed&utm_campaign=Feed%3A+IeeeSpectrum+%28IEEE+Spectrum%29 – Neil Savage, First Terahertz Amplifier "Goes to 11", IEEE Spectr. 2014.
Kozlov S., Grachev Ya., Liu X. et al. Data spectral encoding method with pulsed terahertz sources. –2015 EMN/Optoelectronics Meeting at Beijing, China April – Invited.
Tsypkin A., Putilin S., Mel’nik M. et al. The transmission of 45 bits of information by a pair of interfering femtosecond pulseswith superwide spectra. – J. Opt. Technol., 2013, v.80, p. 466.
Отзывы читателей
