超高速集成电路技术：无线传输速率可达100Gbps！

导读

近日，日本电报电话公司与东京工业大学联合开发出了一种超高速集成电路，它适用于工作在太赫兹频段的无线前端。研究人员称，他们成功地在300 GHz 频段实现了世界上最快的无线数据传输速率：100 Gb/s。

背景

随着宽频网络的普及，100 Gbps 的大容量无线通信技术引起了全世界的关注。有三种方法可进一步提升无线传输容量：扩展传输带宽、增加调制电平数、增加空间复用的信道数量。为了实现未来的大容量无线传输技术（从400 Gbps 到I Tbps），需要在一个载波上同时增加传输带宽和调制电平数，并通过多次叠加来增加空间复用的信道数量。

（图片来源：东京工业大学）

在目前正在研发中的28 GHz 到110 GHz 的载波频率范围内，传输带宽是有限的。所以，科研人员正在研究采用更容易扩展传输频带区域的频率，从300 GHz 频段到太赫兹波频段（0.3 THz ~ 3 THz）。300 GHz 频段的频率比5G （下一代移动通信技术）研究所采用的28 GHz 频段的频率高10倍甚至更多倍。

在300 GHz 频段，宽的传输带宽更容易实现。但是从另一方面说，在高频率的情况下，IC内部端口与外设之间容易产生信号泄露。所以，迄今为止，一直都没能达到足够高的信噪比。因此，即使采用300 GHz 频段，也无法同时达到宽的传输带宽和多的调制电平数，所以目前的无线传输速率依旧停留在几十Gbps。

创新

为了解决上述问题，近日，日本电报电话公司（NTT）与东京工业大学（Tokyo Tech）联合开发出了一种超高速集成电路（IC），它适用于工作在太赫兹频段的无线前端。他们成功地在300 GHz 频段实现了世界上最快的无线数据传输速率：100 Gb/s。

自从实现宽频段之后，科研人员就期望将未经使用的太赫兹波应用于高速无线传输。在这项研究中，科研人员通过将独特的高隔离度设计专利技术应用于磷化铟高电子迁移率晶体管（InP-HEMT），实现了这种混频器。这样可以扩展传输带宽，对于传统的300 GHz 频段无线前端来说，带宽一直都是有待解决的问题。同时，它也提升了信噪比（SNR）。

这项技术的细节发表在6月10日到15日于美国费城召开的2018 IEEE MTT-S 国际微波研讨会上。

技术

在这项新研究中，研究人员发明了高隔离度设计技术，并将这项技术应用到混频器电路中。混频器是在300 GHz 频段无线前端中负责频率转换的关键元件。研究人员也开发了一个由磷化铟高电子迁移率晶体管（InP-HEMT）组成的集成电路。科研人员采用高隔离度设计技术，成功地抑制了每个IC中以及IC端口之间的信号泄露。

300 GHz 无线前端配置

（图片来源：东京工业大学）

同时，研究人员也成功地降低了信号噪音并扩展了带宽，这是传统300 GHz 频带无线前端技术一直需要面对的问题。通过这些技术，科研人员实现了一个300 GHz 频带无线前端模块。混频器电路具有三个端口：一个局部振荡频率端口（LO）、一个射频端口（RF）、一个中频端口（IF）。当工作在非常高的太赫兹波频率下时，由于混频器电路与外部设备之间存在小的寄生电容，所以这些端口之间会发生信号泄露。

通过添加四分之一波长传输线和串联电容，科学家们创造出一种独特的设计，显著地提升端口之间的隔离度。通过这种方法实现的高隔离度特性能抑制泄露的信号，这样不仅可提升SNR，也可防止混频器IC安装在模块上时产生的性能退化。结果，科学家们在无线前端模块上实现了宽频特性和高信噪比特性。

混频器集成电路和模块

（图片来源：东京工业大学）

他们也确认在背靠背传输中接收到了良好的16QAM 信号。

（图片来源：东京工业大学）

此外，他们也确认在300 GHz 频段，传输速率达到100 Gbps。他们称，这是全世界首次达到这个速率。

传输实验

（图片来源：东京工业大学）

价值

概括一下，这项研究的价值主要在于，科研人员采用高隔离度设计专利技术与磷化铟高电子迁移率晶体管（InP-HEMT），实现了工作在太赫兹频段的无线前端所采用的超高速集成电路，并在300 GHz 频段达到了100 Gbps 的无线传输速率。

未来

在这项研究中，科研人员通过一个载波实现了100 Gbps 的传输率。未来，他们将这项研究拓展至多个载波，并采用空间复用技术例如“MIMO"和”OAM”。通过这种结合，他们希望实现超高速集成电路技术，达到超过400 Gbps 的高容量无线传输速率，是目前LTE 和Wi-Fi 技术的400倍，5G（下一代移动通信技术）的40倍。

此外，他们还希望这种方案不仅可以用于通信领域，还可以应用于非通信领域例如成像或者感知，而这些领域都可以采用未经充分开发利用的太赫兹波频段。

通过与合作伙伴的合作，NTT 的目标是采用超高速集成电路创造出新服务和新工业，并进一步开发超高速集成电路技术。

关键字

太赫兹、无线通信、集成电路

参考资料

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