導讀

近日，日本電報電話公司與東京工業大學聯合開發出了一種超高速集成電路，它適用于工作在太赫茲頻段的無線前端。研究人員稱，他們成功地在300 GHz 頻段實現了世界上最快的無線數據傳輸速率：100 Gb/s。

背景

隨著寬頻網絡的普及，100 Gbps 的大容量無線通信技術引起了全世界的關注。有三種方法可進一步提升無線傳輸容量：擴展傳輸帶寬、增加調制電平數、增加空間復用的信道數量。為了實現未來的大容量無線傳輸技術（從400 Gbps 到I Tbps），需要在一個載波上同時增加傳輸帶寬和調制電平數，并通過多次疊加來增加空間復用的信道數量。

（圖片來源：東京工業大學）

在目前正在研發中的28 GHz 到110 GHz 的載波頻率范圍內，傳輸帶寬是有限的。所以，科研人員正在研究采用更容易擴展傳輸頻帶區域的頻率，從300 GHz 頻段到太赫茲波頻段（0.3 THz ~ 3 THz）。300 GHz 頻段的頻率比5G （下一代移動通信技術）研究所采用的28 GHz 頻段的頻率高10倍甚至更多倍。

在300 GHz 頻段，寬的傳輸帶寬更容易實現。但是從另一方面說，在高頻率的情況下，IC內部端口與外設之間容易產生信號泄露。所以，迄今為止，一直都沒能達到足夠高的信噪比。因此，即使采用300 GHz 頻段，也無法同時達到寬的傳輸帶寬和多的調制電平數，所以目前的無線傳輸速率依舊停留在幾十Gbps。

創新

為了解決上述問題，近日，日本電報電話公司（NTT）與東京工業大學（Tokyo Tech）聯合開發出了一種超高速集成電路（IC），它適用于工作在太赫茲頻段的無線前端。他們成功地在300 GHz 頻段實現了世界上最快的無線數據傳輸速率：100 Gb/s。

自從實現寬頻段之后，科研人員就期望將未經使用的太赫茲波應用于高速無線傳輸。在這項研究中，科研人員通過將獨特的高隔離度設計專利技術應用于磷化銦高電子遷移率晶體管（InP-HEMT），實現了這種混頻器。這樣可以擴展傳輸帶寬，對于傳統的300 GHz 頻段無線前端來說，帶寬一直都是有待解決的問題。同時，它也提升了信噪比（SNR）。

這項技術的細節發表在6月10日到15日于美國費城召開的2018 IEEE MTT-S 國際微波研討會上。

技術

在這項新研究中，研究人員發明了高隔離度設計技術，并將這項技術應用到混頻器電路中。混頻器是在300 GHz 頻段無線前端中負責頻率轉換的關鍵元件。研究人員也開發了一個由磷化銦高電子遷移率晶體管（InP-HEMT）組成的集成電路。科研人員采用高隔離度設計技術，成功地抑制了每個IC中以及IC端口之間的信號泄露。

300 GHz 無線前端配置

（圖片來源：東京工業大學）

同時，研究人員也成功地降低了信號噪音并擴展了帶寬，這是傳統300 GHz 頻帶無線前端技術一直需要面對的問題。通過這些技術，科研人員實現了一個300 GHz 頻帶無線前端模塊。混頻器電路具有三個端口：一個局部振蕩頻率端口（LO）、一個射頻端口（RF）、一個中頻端口（IF）。當工作在非常高的太赫茲波頻率下時，由于混頻器電路與外部設備之間存在小的寄生電容，所以這些端口之間會發生信號泄露。

通過添加四分之一波長傳輸線和串聯電容，科學家們創造出一種獨特的設計，顯著地提升端口之間的隔離度。通過這種方法實現的高隔離度特性能抑制泄露的信號，這樣不僅可提升SNR，也可防止混頻器IC安裝在模塊上時產生的性能退化。結果，科學家們在無線前端模塊上實現了寬頻特性和高信噪比特性。

混頻器集成電路和模塊

（圖片來源：東京工業大學）

他們也確認在背靠背傳輸中接收到了良好的16QAM 信號。

（圖片來源：東京工業大學）

此外，他們也確認在300 GHz 頻段，傳輸速率達到100 Gbps。他們稱，這是全世界首次達到這個速率。

傳輸實驗

（圖片來源：東京工業大學）

價值

概括一下，這項研究的價值主要在于，科研人員采用高隔離度設計專利技術與磷化銦高電子遷移率晶體管（InP-HEMT），實現了工作在太赫茲頻段的無線前端所采用的超高速集成電路，并在300 GHz 頻段達到了100 Gbps 的無線傳輸速率。

未來

在這項研究中，科研人員通過一個載波實現了100 Gbps 的傳輸率。未來，他們將這項研究拓展至多個載波，并采用空間復用技術例如“MIMO"和”OAM”。通過這種結合，他們希望實現超高速集成電路技術，達到超過400 Gbps 的高容量無線傳輸速率，是目前LTE 和Wi-Fi 技術的400倍，5G（下一代移動通信技術）的40倍。

此外，他們還希望這種方案不僅可以用于通信領域，還可以應用于非通信領域例如成像或者感知，而這些領域都可以采用未經充分開發利用的太赫茲波頻段。

通過與合作伙伴的合作，NTT 的目標是采用超高速集成電路創造出新服務和新工業，并進一步開發超高速集成電路技術。

關鍵字

太赫茲、無線通信、集成電路

參考資料

【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2018/041717.html