TTHE MITTLEMAN GROUP/BROWN UNIVERSITY

一項新研究發(fā)現(xiàn)，通過讓光束在半空中繞過障礙物，研究人員希望能幫助實現(xiàn)速度極快的6G數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。

下一代無線通信（6G）將可能依靠太赫茲波來幫助達(dá)到前所未有的速度。太赫茲射線（也稱亞毫米波輻射或遠(yuǎn)紅外線）位于電磁波譜中的光波和微波之間。太赫茲射線的頻率從0.1太赫茲到10太赫茲不等，是未來高速無線網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵，它將以每秒太比特（萬億比特）的速度傳輸數(shù)據(jù)。

“The data can be successfully delivered to a target even if there is an obstruction that partially blocks the view of the target from the transmitter.”

—DANIEL MITTLEMAN, BROWN UNIVERSITY

太赫茲信號面臨的一個主要問題是如何解決被大多數(shù)固體物體阻擋。這意味著，與 Wi-Fi 不同，太赫茲信號通常要求發(fā)射器和接收器之間有直接的視線（https://www.brown.edu/news/2018-02-06/terahertz）。

在這項新研究中，羅德島普羅維登斯布朗大學(xué)和休斯頓萊斯大學(xué)的研究人員試圖通過創(chuàng)造太赫茲信號來避免這個問題，這些信號沿著彎曲的軌跡繞過障礙物，而不是被障礙物阻擋。

布朗大學(xué)工程學(xué)教授Daniel Mittleman說：“需要明確的是，我們并不是要讓光子沿著彎曲的軌跡傳播。這不是我們要做的，盡管看起來可能是這樣。” Mittleman解釋說，光子通常是直線運(yùn)動的，除非它們經(jīng)過空間和時間結(jié)構(gòu)被強(qiáng)大引力場扭曲的區(qū)域，比如黑洞產(chǎn)生的引力場。

Mittleman說：“相反，我們正在做的是制作一個非常精心定制的直線光束圖案，這些直線光束共同干涉，產(chǎn)生一個遵循彎曲軌跡的強(qiáng)度圖案。”

此前的研究（https://www.nbcnews.com/id/wbna22360801）于2007年首次用可見光產(chǎn)生了這種彎曲光束（https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.99.213901）。隨后的工作也產(chǎn)生了太赫茲彎曲光束。

Mittleman表示：“我們所做的工作是證明，可以用數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)加載這些光束，并繞過障礙物發(fā)送信號。”即使存在部分阻擋發(fā)射器看到目標(biāo)的障礙物，數(shù)據(jù)也能成功傳送到目標(biāo)。

太赫茲信號（或許）是如何彎曲的？

科學(xué)家們開發(fā)了一種能產(chǎn)生各種太赫茲射線模式的發(fā)射器。當(dāng)一種模式被障礙物阻擋時，發(fā)射器就會調(diào)整，用另一種模式發(fā)送數(shù)據(jù)，以保持通信鏈路的完整。

Mittleman說：“當(dāng)我們開始研究這個項目時，我并不清楚它是否能成功。“因此，也許最令人驚訝的事情就是它真的成功了。

Mittleman說，為了讓這項新技術(shù)發(fā)揮作用，發(fā)射器到接收器之間的距離必須足夠小，這樣接收器才能處于發(fā)射器的近場（https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnetic_radiation#Near_and_far_fields）。他解釋說，目前典型的無線數(shù)據(jù)系統(tǒng)的工作頻率約為3千兆赫，天線直徑約為10厘米，近場范圍只有幾十厘米，距離太短，無法證明非常有用。

Mittleman指出：“但如果我們使用更高的頻率，比如太赫茲頻率，情況就大不相同了。同樣是10厘米的發(fā)射天線，頻率為300千兆赫的近場可以延伸到數(shù)十米之外。這意味著它在典型的Wi-Fi場景中變得相關(guān)和有用。”

Hichem Guerboukha作為布朗大學(xué)的博士后研究員領(lǐng)導(dǎo)了這項研究，他現(xiàn)在是密蘇里大學(xué)堪薩斯城分校科學(xué)與工程學(xué)院的助理教授，他提醒說，這種新策略并不能解決太赫茲信號可能面臨的所有阻塞問題。

Mittleman解釋說：“在這里可以做的事情有一些真正的物理限制。例如，曲率的大小受到發(fā)射機(jī)尺寸的限制，因此對于給定的發(fā)射機(jī)，你不可能做出任何你想要的曲線。”

未來的工作可以探索太赫茲信號的曲率有多大，可以到達(dá)多遠(yuǎn)的距離。此外，研究人員還想看看曲率可能對帶寬產(chǎn)生什么影響。

Mittleman說：“當(dāng)以高數(shù)據(jù)速率發(fā)送數(shù)據(jù)時，人們需要一個寬帶寬 —— 這意味著你的信號由許多不同的頻率組成。如果每個頻率的彎曲軌跡略有不同呢？我們稱這種效應(yīng)為'曲率色散'。在最壞的情況下，這意味著你的接收器會錯過一些傳輸頻率，因為它們的彎曲程度不對。我們需要更詳細(xì)地了解這種效應(yīng)的影響。”

Demetrios Christodoulides和他的同事們在2007年率先制造出了彎曲光束，他認(rèn)為這項新研究也可能應(yīng)用于成像領(lǐng)域。

位于洛杉磯的南加州大學(xué)電氣與計算機(jī)工程、物理與天文學(xué)教授Christodoulides說：“當(dāng)你想避開不透明的區(qū)域時，我可以看到這種方法的優(yōu)勢。”

科學(xué)家們于3月30日在《通信工程》（Communications Engineering）雜志上在線詳細(xì)介紹了他們的研究成果：https://www.nature.com/articles/s44172-024-00206-3。