国立信息通信技术研究所(NICT，院长：TOKUDA Hideyuki，Ph.D.)，住友大阪水泥株式会社(院长：MOROHASHI Hirotsune)，名古屋工业大学(院长：KINOSHITA Takatoshi博士)，和早稻田大学(校长：田中爱治博士)共同开发了世界上第一个将高速太赫兹波信号透明中继、路由和切换到不同位置的系统。成功演示了将 285 GHz 频段的 32 Gb/s 太赫兹波信号直接转换为光纤，并在超短时间内透明中继和切换到不同的接入点。
关键技术包括新开发的用于将太赫兹波信号直接转换为光信号的低损耗光调制器和用于太赫兹信号超快切换的自适应光纤无线技术。该系统克服了太赫兹频段无线电通信自由空间损耗大、穿透力弱、通信覆盖范围有限等缺点，为太赫兹通信在超5G和6G网络中的部署铺平了道路。
该演示的结果作为截止日期后的论文在 2023 年国际光纤通信会议 (OFC 2023) 上发表，并于 2023 年 3 月 9 日星期四(当地时间)发表。
背景
太赫兹频段的无线电频率是 5G 和 6G 网络中超高数据速率通信的有前途的候选者。最近为移动和固定服务开放了 275–450 GHz 频段中的一个 160 GHz 插槽。然而，高自由空间损耗和弱穿透仍然是瓶颈，使得信号难以远距离传输，例如从室外到室内或在有障碍物的环境中。太赫兹信号在不同位置之间的透明中继和路由对于克服这些缺点和扩大通信覆盖范围至关重要。然而，这些功能无法使用当前的电子技术来实现。此外，太赫兹信号的窄波束宽度使得用户在移动时难以实现不间断通信。不同方向和位置之间的太赫兹信号切换对于维持与最终用户的通信至关重要。然而，这个关键问题尚未使用电子或光子技术得到解决。以适当的时间间隔打开和关闭太赫兹信号的发射对于节能和减少干扰也很重要。
成就
在这项研究中，我们展示了第一个用于透明中继、路由和切换 285 GHz 频段太赫兹信号的系统(见图 1)，该系统利用两项关键技术：(i) 新开发的低损耗光调制器和 ( ii) 使用超快波长可调激光器的自适应光纤无线技术。在该系统中，太赫兹信号被接收并使用带有低损耗光调制器的太赫兹光转换设备直接转换成光信号。来自可调谐激光器的光波信号被输入到调制器，波长路由器用于将信号路由到分配特定波长的不同接入点。在接入点，使用光-太赫兹转换器将调制光信号转换回太赫兹信号。通过切换可调激光器的波长，可以将太赫兹信号切换到不同的接入点。可调谐激光器可独立控制，可同时产生太赫兹信号的接入点数量等于有源可调谐激光器的数量。利用本研究开发的技术，我们首次成功演示了 285 GHz 频段太赫兹信号的透明中继和切换，并使用 4 正交幅度调制 (QAM) 正交实现了 32 Gb/s 的传输容量频分复用 (OFDM) 信号。评估了在不到 10 μs 内切换太赫兹波信号的可能性，确认可以在太赫兹波段实现不间断通信。可调谐激光器可独立控制，可同时产生太赫兹信号的接入点数量等于有源可调谐激光器的数量。利用本研究开发的技术，我们首次成功演示了 285 GHz 频段太赫兹信号的透明中继和切换，并使用 4 正交幅度调制 (QAM) 正交实现了 32 Gb/s 的传输容量频分复用 (OFDM) 信号。评估了在不到 10 μs 内切换太赫兹波信号的可能性，确认可以在太赫兹波段实现不间断通信。可调谐激光器可独立控制，可同时产生太赫兹信号的接入点数量等于有源可调谐激光器的数量。利用本研究开发的技术，我们首次成功演示了 285 GHz 频段太赫兹信号的透明中继和切换，并使用 4 正交幅度调制 (QAM) 正交实现了 32 Gb/s 的传输容量频分复用 (OFDM) 信号。评估了在不到 10 μs 内切换太赫兹波信号的可能性，确认可以在太赫兹波段实现不间断通信。利用本研究开发的技术，我们首次成功演示了 285 GHz 频段太赫兹信号的透明中继和切换，并使用 4 正交幅度调制 (QAM) 正交实现了 32 Gb/s 的传输容量频分复用 (OFDM) 信号。评估了在不到 10 μs 内切换太赫兹波信号的可能性，确认可以在太赫兹波段实现不间断通信。利用本研究开发的技术，我们首次成功演示了 285 GHz 频段太赫兹信号的透明中继和切换，并使用 4 正交幅度调制 (QAM) 正交实现了 32 Gb/s 的传输容量频分复用 (OFDM) 信号。评估了在不到 10 μs 内切换太赫兹波信号的可能性，确认可以在太赫兹波段实现不间断通信。
该系统由以下关键要素技术组成：
- 使用新开发的低损耗光调制器将太赫兹信号直接转换为光信号(见图 2)：这是通过在 x 切铌酸锂 (LiNbO3) 上进行 Ti 扩散实现的厚度：≤ 100 µm)在低介电常数层中，工作频率高达 330 GHz。
- 超快太赫兹信号切换，通过控制可调激光器的波长将太赫兹信号路由和分配到不同位置
- 4-QAM OFDM 信号传输
通过透明地中继和分配太赫兹信号到不同位置，可以克服太赫兹频段无线电信号的高自由空间和穿透损耗，并可以显着扩展通信覆盖范围。此外，通过及时路由和切换信号到不同的方向/位置，即使出现障碍物和/或用户移动时也可以保持通信。此外，通过以适当的时间间隔打开和关闭来自接入点的太赫兹波信号的发射，可以实现节能和减少干扰。这些特性使所提出的系统成为克服太赫兹波通信瓶颈并为其在 5G 和 6G 网络之外的部署铺平道路的有前途的解决方案。
前景
未来，我们将研究本研究开发的太赫兹-光转换器件和光纤-无线技术，以进一步提高射频和传输容量。此外，我们将推动与光纤无线和太赫兹波通信系统相关的国际标准化和社会实施活动。
此次演示的成果发表在2023年光纤通信国际会议(OFC 2023，3月5日(星期日)至3月9日(星期四))上，这是光纤通信领域最大的国际会议之一。它获得了高度评价，并于 2023 年 3 月 9 日星期四(当地时间)在截止日期后的会议上展示，该会议以发布最新的重要研究成果而闻名。
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