【原】世界首创，利用光纤无线技术将大容量太赫兹波信号实现向不同接入点分配发送的技术

Wsz6868 2023-05-16 发布于浙江

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世界首创，利用光纤无线技术将大容量太赫兹波信号实现向不同接入点分配发送的技术

~面向~Beyond 5G时代的无线系统社会安装，期待不间断的通信和节能化~

2023年5月15日

国立研究开发法人信息通信研究机构住友大阪水泥股份有限公司国立大学法人名古屋工业大学学校法人早稻田大学

重点

世界上首次成功地将大容量太赫兹波信号透明地分配发送到不同的接入点
通过新开发的太赫兹波-光转换设备和光纤无线技术，证实了每秒32千兆位的大容量光接入通信
光电波融合技术成为可能的太赫兹波Beyond 5G网络的重要一步

国立研究开发法人信息通信研究机构( NICT理事长:德田英幸)、住友大阪水泥株式会社(住友大阪水泥、代表董事社长:诸桥央典)、国立大学法人名古屋工业大学(名古屋工业大学、校长:木下隆利)以及学校法人早稻田大学(早稻田大学、理事长:田中爱治)共同，在世界上首次成功验证了在太赫兹波的285千兆赫的频带内将每秒32千兆位的大容量太赫兹波无线信号透明地分配发送到不同的接入点的系统。新开发的太赫兹波-光转换设备和光纤无线技术使这一点成为可能。此次开发的系统能够克服被认为是太赫兹波段电波缺点的“难以到达很远，难以复盖很大的范围”这一课题，扩大了无线信号的覆盖范围，为Beyond 5G网络的太赫兹波通信的开展铺平了道路本实验结果的论文在光纤通信国际会议( OFC 2023 )上获得了很高的评价，被选为最佳热门论文( Postdeadline Paper )，并于当地时间2023年3月9日(周四)发表。

背景

太赫兹波通信是在Beyond 5G网络接入点获得超高速数据速率的有力候选。但是，太赫兹波的信号与第五代移动通信系统( 5G )所使用的微波波段和毫米波波段的信号相比，传播损失非常大，因此难以进行长距离的发送和在室外到室内等有障碍物的环境下的通信。此外，由于太赫兹波段的电波覆盖范围狭窄，在用户移动的情况下，难以实现不间断的通信。为了克服这些课题，透明地分配和发送太赫兹波信号很重要，但迄今为止还没有有效实现这些的技术。

这次的成果

图1太赫兹波-光转换器件配置

这次，NICT、住友大阪水泥、名古屋工业大学以及早稻田大学共同在世界上首次成功确立了将太赫兹波信号转换为光信号，并向各种接入点透明地分配发送的技术。要素技术之一是共同开发的将太赫兹波转换为光信号的太赫兹波-光转换器件，是利用铁电电光晶体(铌酸锂)的高速光调制器(参照图1 )。通过将晶体厚度控制在100微米以下(比以往小5分之1 )，实现了也能应对285千兆赫太赫兹波的高速性。二是光纤无线技术，附加了可以变更太赫兹波信号目的地的功能。为了传送太赫兹波信号，使用波长可变激光器生成的不同波长的激光，通过切换波长，可以顺利地切换太赫兹波信号。这样，就可以根据被分配了特定波长的不同接入点或用户的位置进行分发。通过将这些开发技术相结合，成功构筑了在4QAM调制器中将每秒32千兆位的大容量太赫兹波信号直接转换为光信号，分配发送到不同接入点的传输系统。另外，他还表示，可以在10微秒以下的极短时间内切换太赫兹波的信号。通过应用本成果，可以将太赫兹波信号从一个接入点透明地传输到其他接入点。另外，通过在接入点之间进行太赫兹波信号的路径控制和切换，可以期待不间断的通信和节能化。

图2太赫兹波-基于光转换器件和光纤无线技术的太赫兹波信号分配与发送 [点击图像放大显示]

今后的展望

今后，我们将利用此次确立的太赫兹波-光转换器件和光纤无线技术，推进面向Beyond 5G时代的无线系统的、以进一步高频化、高速化及低功耗为目标的技术探讨。另外，在技术讨论的同时，推进国际标准化活动以及社会展开活动。另外，本实验结果的论文在光纤通信领域的世界最大的国际会议之一的光纤通信国际会议( OFC 2023，3月5日(星期日)~3月9日(星期四) )中得到了非常高的评价，作为最优秀热门论文( Postdeadline Paper )被通过，于当地时间3月9日(周四)发表。

职责分工

NICT :光无线直接传输技术的设计、技术开发、实证实验、标准化活动
住友大阪水泥:将无线信号转换为光信号的设备、高速光调制器的设计、技术开发、标准化活动
名古屋工业大学:光局发信号发生器、光纤无线技术的研究开发
早稻田大学:光纤无线技术的研究开发

通过论文

国际会议:第46届光纤通信国际会议( OFC 2023 )最佳热点论文( Postdeadline Paper ) 论文名称: transparent relay and switching of THz-wave signals in 285-GHz band using photo

作者名称: Pham Tien Dat，Yuya Yamaguchi，Keizo Inagaki，Shingo Takano，Shotaro Hirata，Junichiro Ichikawa，Ryo Shimizu，Isao Morohashi Atsushi Kanno，Naokatsu Yamamoto，Tetsuya Kawanishi，Kouichi Akahane

补充资料

1. 这次开发的系统的基本构成

图4传输系统示意图 [点击图像放大显示]

图4显示了这次开发的传输系统的概要图。根据以下步骤，实现了285千兆赫每秒32千兆赫的太赫兹波无线信号传输。

(1)光纤无线信号发射机使用频率间隔为275.2千兆赫的两个波长，一个波长使用9.8千兆赫的信号调制，另一个是非调制的。将已调制信号与未调制信号相组合以生成频率间隔为285千兆赫( =275.2+9.8千兆赫)的RoF信号(参见图4 a的右上角的图)。 (2)太赫兹无线电发射机光纤传输后，由太赫兹波转换部，通过以高速光检测器为基础的光电转换器，从RoF信号转换为285千兆赫兹的太赫兹波信号，由功率放大器进行放大。 (3)中继节点接收到的信号使用RF探针连接到新开发的高速光调制器，变换为光信号。太赫兹波信号的调制和切换使用了具有控制电路的波长可变激光器。调制的信号被放大，连接到波长路由器上，向不同的接入点转发。 (4)接入点接收的光信号被输入到另一个快速光电二极管并再次转换为285千兆赫的太赫兹波信号。放大该信号，通过48 dBi的透镜天线发送到自由空间。 (5)太赫兹波信号接收机传输约5 m后，由其他透镜天线接收，放大后，通过次谐波混频器向下变频至10.2千兆赫。最后，将信号放大并发送到实时示波器进行离线解调。

2. 实验结果

图5 (a )改变285千兆赫太赫兹波信号的数据速率时的传输性能 ( b )在接收机中进行每秒32千兆位的信号星座 ( c )太赫兹波信号切换时间10微秒以下 [点击图像放大显示]

图5的实验结果图表显示了以不同波长发送的信号的误码率。虽然比特率的提高会导致错误率的提高，但显示每秒最多可以传输32千兆位的数据。纠错前的错误矢量振幅值( EVM: Error Vector Magnitude，相当于传输错误)，在4QAM中，20%的开销相当于32千兆位的带宽。 ( b )是接收时的4QAM信号，信号质量好到可以清楚地看到4个符号(纠错较少)。 ( c )是进行太赫兹信号切换的可视化图，横轴为时间，纵轴为信号强度。虽然中途凹陷的部分正在进行切换(数据停止的地方)，但是显示出了能够在10微秒以下进行太赫兹波信号的切换的可能性。

用語解説

透明地分配发送
在存在太赫兹波被遮挡的墙壁等遮蔽物的情况下，在该位置将太赫兹波变换为光信号，通过光纤传输后再次变换为太赫兹波，由此能够认为太赫兹波透过了遮蔽物而构筑系统。为此，需要用简单的结构构筑能够多次往返于光信号和太赫兹信号的多级RoF系统。

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光纤无线电( RoF: Radio over Fiber )
通过无线信号调制光信号，通过光纤直接传输无线信号的技术。在手机和地面数字广播的电波盲区对策中已经被利用。 NICT报告了利用本技术和高速光接收设备，实现检测机场跑道上异物的雷达系统和向高铁发送毫米波信号的系统。

・2021年7月15日　简化毫米波无线接收机的光无线直接传输技术的实证成功

https://www.nict./press/2021/07/15-1.html
・2018年4月26日实现时速500km也无法连接的网络

https://www.nict./press/2018/04/26-2.html

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传播损失
电波在大气中前进时，会被空气和空气中的水分等吸收或散射。由此，电波的强度逐渐变弱。这被称为传播损失。

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光调制器
将输入的电信号叠加在光信号上的设备。被用于主干光纤通信等。不仅用于数字数据信号，还用于将无线信号等转换为光信号。此次，通过减薄铁电电光材料(铌酸锂)并优化电极结构，实现了可进行285千兆赫光无线转换的高速性。

图3此次开发的薄板型铌酸锂光调制器的概念 [点击图像放大显示]

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正交幅度调制（QAM: Quadrature Amplitude Modulation）
并用光的相位和振幅来表现多个比特的方式(多值调制)的一种。相对于由被称为On-Off Keying(OOK )的On和Off两种状态( 1比特)表示信息( 21=2种)的方式，4QAM在能够采用一个码元的相位空间上的点为4个，一个码元能够传输2比特的信息( 22=4组)，能够在相同的时间传输OOK方式的2倍的信息。

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