从实验室到现实：太赫兹通信如何引领6G时代？ ——光子辅助技术的创新与应用
太赫兹波段位于电磁频谱的0.1~10 THz范围内，具有高载波频率和大可用带宽的特点，使其在全息通信、微小尺寸通信、超大容量数据回传、短距离超高速传输等新兴应用场景中展现出巨大潜力。作为未来6G移动通信网络的关键技术之一，太赫兹通信有望满足100 Gbit/s甚至1 Tbit/s的超高数据速率需求。2019年世界无线电通信大会（WRC）已将275~296 GHz、306~313 GHz、318~333 GHz和356~450 GHz的太赫兹频段确定为陆地移动服务和固定服务的实施频段。
一、产生方式
光子辅助太赫兹信号生成技术能够突破电子器件的带宽限制，充分发挥光学器件在高频率、大带宽和低传输损耗方面的优势。目前，主要有两种典型的光生太赫兹信号生成方法。
双激光器外差拍频法
该方法使用两个独立的窄线宽激光器，其工作频率之差位于太赫兹频段，通过光电二极管的外差拍频生成太赫兹信号。2022年，研究人员利用80个独立激光器，在54米的无线链路上实现了6.4 Tbit/s的325 GHz太赫兹信号传输，误码率低于25%软判决前向纠错（SD-FEC）编码的误码率阈值。尽管该方法具有频率灵活调谐和高频率的优点，但两个激光源之间的频率和相位漂移会导致信号稳定性下降，需通过接收端的先进数字信号处理（DSP）算法进行补偿。
光学频率梳（OFC）法
该方法利用射频（RF）信号驱动光学外部调制器，生成具有特定频率间隔的多个光载波，并通过两个选定光载波的外差拍频获得太赫兹信号。OFC法生成的太赫兹信号具有较高的稳定性，适用于高精度通信系统。
二、发展现状
2007年：日本NTT实验室的突破
日本NTT设备技术实验室首次建立了基于光电混合的120 GHz波段无线链路。该链路通过单向载流子光电二极管直接产生太赫兹信号，并利用单片微波集成电路（MMIC）实现收发器功能，在450米的传播距离上实现了10 Gbps的无差错数据传输，同时支持6路未压缩高清电视信号（HDTV）的并行传输。
2015年：伦敦大学的多通道系统
伦敦大学研究团队提出了一种光子多通道太赫兹无线通信系统。该系统采用光学外差法，利用外部注入的增益开关激光梳状源生成多达4个光子载波，载波频率约为200GHz，下行信道数据速率达到100Gbps。该研究表明，多载波传输不仅能提高数据速率，还能降低光电转换器件的带宽要求。
2020年：浙江大学的创新方案
浙江大学余显斌团队提出了基于太赫兹正交极化双天线配置的混合太赫兹光子无线传输方案。该方案采用PS 64QAM-OFDM调制技术，实现了高达612.65 Gbit/s（相当于两个300 Gbit/s）的数据传输速率，展现了太赫兹通信在高容量传输中的潜力。
三、未来展望
尽管太赫兹通信技术已取得显著进展，但仍面临诸多挑战。当前系统的传输距离较短，传输速率有待进一步提升。未来的研究方向包括：
长距离传输与高数据速率
如何实现实时、高频的太赫兹系统在公里级距离上的传输，并将空口速率提升至Tbit/s量级，是亟待解决的关键问题。
系统集成度与信噪比优化
目前的光子辅助太赫兹通信系统集成度较低，激光器、UTC-PD、调制器等光子器件均为分立部件，导致系统体积庞大。此外，光电器件引入的相对强度噪声、散弹噪声以及电光调制解调带来的链路损耗，会劣化系统信噪比。未来需通过高增益/大功率放大器、阵列式天线和太赫兹信号处理等技术，提升系统的传输距离、通信速率、可靠性和小型化性能。
关键器件的国产化
目前，超过260 GHz的太赫兹低噪声放大器主要由国外研制，实现高频太赫兹低噪声放大器的国产化仍需技术攻关。
四、结论
光子辅助太赫兹通信技术作为未来6G网络的重要组成部分，具有广阔的应用前景。通过解决传输距离、系统集成度、信噪比优化以及关键器件国产化等问题，太赫兹通信技术将为实现超高数据速率和低延迟的下一代通信网络提供坚实的技术支撑。
