转换为太赫兹通信

我们在全球生成的数据数量现在以BreakNeck节奏加速。当发生这种转换时，Terahertz信号的交换可能成为未来通信系统的关键方面，但是在没有能够有效地转换这些波和光信号的方法中，到目前为止，这种前景仍然是不可行的。在他的研究中，伦敦大学学院的Cyril Renaud教授通过新颖的光电二极管设备解决了这个问题，它利用了电子和光子学的一些最新进展。

在几十年的过程中，我们用来互相沟通的工具几乎超越了识别，而目前，这种变化的步伐表现出没有减速的迹象。作为我们周围的技术景观转换，全球产生的数据量呈指数增长。2018年，人类首次在一个月内生成130个数据 - 更多信息，而不是在大多数人类历史上产生的信息。

无线移动设备的兴起，为数百万人——尤其是发展中国家的人——打开了互联网接入的大门，有力地推动了这种惊人的增长。不可避免的是，这给无线信道带来了越来越大的压力。如果没有新的创新，我们相互通信所依赖的基础设施在不久的将来可能会面临严重的压力。为了满足我们日益增长的数据需求，研究人员和工程师们现在的目标是在无线通信系统中实现更高速率的信号传输。

太赫兹载波频率
为了实现这一目标，研究人员需要考虑的一个至关重要的方面是无线信号的“带宽”。这个术语描述了信息携带信号所占用的频率范围:在更高的带宽下，单个信号可以传递更多的信息，而不管它们的具体频率是多少。这为传输太赫兹频率(在电磁波谱中介于微波和红外频率之间)创造了强大的动力。在无线电通信领域，这些波是信号可以传送的最高频率。

随着现代无线通信系统所需要的带宽现在超过了几十千兆赫，这种高频率正变得越来越受欢迎。然而，在系统能够在这些频率上实际运行之前，它们面临一个主要障碍。当太赫兹波穿过大气层时，它很容易与从水滴到氧分子的各种特征发生相互作用，导致它们向不想要的方向散射。最终，这使得它们几乎不可能长距离传输，完全不适合大规模的无线网络。

随着现代无线通信系统所要求的带宽现在超过了几十千兆赫，人们越来越需要高频率。

在波长之间转换
Renaud教授提出通过使用光学频率传输到其目的地的大部分方式来克服这个问题。至关重要的是，这可以通过既定的光纤电缆网络完成，形成现代互联网基础设施的骨干。一旦它们在与接收无线设备的相同建筑物或局域区域内，就可以使用天线将这些频率转换为无线太赫兹信号。最后，他们可以在最近几十或数百米到目的地旅行，从大气中没有衰减。

这种系统有明显的优势，但仍有一个障碍需要克服:信号和电流之间的转换不是完全有效的，这意味着信号所携带的信息可能会在这个过程中丢失。在他的研究中，雷诺教授通过尖端技术解决了这个问题，集成了电子学和光子学的原理——这个术语描述了如何通过光的操纵来传输和接收信号。

常规光电二极管的限制
将光转换为电流需要一个名为“光电二极管”的设备。这些器件在施加的电场内包含三个半导体的线性布置。这些半导体中的两种掺杂有不同类型的分子杂质，给予它们不同的性质：虽然一种用作电子供体，另一个容易吸收它们。在这些材料之间，纯半导体不含杂质。当该层中的电子符合具有正确能量的光子时，将其激发到更高的能级，并被电场扫过带正电的阴极。在它的位置，留下了带有带正电荷的“洞”，这被扫过了带负电的阳极。

完全，该过程产生了“光电流”，其可用于产生光信号。然而，这只能在一定的响应时间之后发生 - 描述电子和孔传输到它们各自电极的时间。如果响应时间较长，则可以从光电二极管传输的带宽变得较低 - 在设备的灵敏度和它可以传达的信息量之间产生折衷。到目前为止，这使得这些设备不适合谴责教授的室内太赫兹通信系统。

用UTC-PD提高性能
在他的最新研究中，Renaud教授率先使用了“单载波光电二极管”(utc - pd)，这是一种高速、高输出功率的器件，可以克服传统光电二极管面临的许多问题。像传统的光电二极管一样，这些光电二极管也含有三种线性排列的半导体材料。然而，这一次，中间的光子吸收层掺杂了接受电子的杂质，而电子接受层是纯的。当电场作用于这种排列时，杂质的特定位置意味着入射光子产生的空穴将做出极其迅速的反应。

光电二极管的整体响应时间主要受到传统器件中空穴的缓慢过渡的限制，而UTC-PD中的半导体排列意味着它只受到电子传输的限制。反过来，这种新型设备减少了对被转换信号带宽的限制，减少了在性能和要传输的信息量之间进行权衡的需要。当应用于太赫兹波时，这种方法为长距离传输无线、高带宽信号的通信系统开辟了新的机会。

前所未有的输出功率
为了证明UTC-PD有前途的能力，Renaud教授和他的同事进行了一些实验来测量和评估其最大输出功率。通常，热效应和电荷饱和对这个值施加了一个上限，限制了太赫兹波和电流之间的转换效率。研究小组现在已经构想出一种新的方法来模拟utc - pd的性能，特别是当设备与天线集成时。

这些网络将允许无线设备的用户以远高于不久前似乎可能的速度传输和接收数据。

通过它们的结果，研究人员清楚地表明了UTC-PDS内的电子和孔的行为如何能够明显更高的最大输出功率，而不是传统二极管中的最大值。反过来，这使得它们非常适合将高频转换为高频率，以高效率。此外，瑞安教授和他的同事已经证明了在光掩模中使用UTC-PD的明显优点 - 其中具有特定频率的两个激光束重叠，并将其集中在一个设备上，产生太赫兹波。

改善通信系统
已经证明了有效传输和接收太赫兹信号的天线的强有力基础，Renaud的团队教授对包含信号的室内无线网络进行了重大进展。如果达到，这些网络将允许无线设备的用户以比似乎在最近的速度更高的速率下传输和接收数据。

通过未来的工作，研究团队希望进一步利用光子学的前沿原理，将utc - pd与包括激光器、放大器和调制器在内的其他光子转换器元件集成在一起。反过来，这将使研究小组能够使用计算机芯片大小的设备进行先进的光子操作。如果他们的方法得到更广泛的采用，它可能成为全世界通信系统的一个关键元素;确保我们对数据的加速利用可以安全地持续到未来。