下一代无线数据传输系统必然要在100GHz以上的频率范围内运行，也就是亚太赫兹频段1,2. 尽管提高载频确实能提升数据传输速率，但亚太赫兹频段的数据传输仍面临诸多挑战。其中最主要的挑战是大气辐射吸收问题。大气会削弱亚太赫兹频段的辐射，而水蒸气则是主要的吸收物质。因此，在这些频率下进行数据传输难度极大，而且只能在所谓的传输窗口内进行3，即位于强吸收线之间的频段。即便在 these窗口内，吸收现象依然严重，这就对发射功率提出了更高要求。

目前，太赫兹波的生成输出功率通常只有数百微瓦，这一数值远远不足以弥补大气带来的损耗。人们通常使用固态放大器来提升发射功率，但这类放大器的饱和输出功率一般也仅在毫瓦级别4,5.

Cai Yuancheng及其合作者在《Light: Science & Applications》杂志上发表的研究6解决了其中的部分难题。他们实现了在2公里以上距离内以50GBt/sec的速率进行数据传输的突破性成果，该传输系统使用的载频为335GHz。通过采用偏振分复用和正交幅度调制技术，这一载频使得数据传输速率远超100GBt/sec。

这一成果的实现得益于多项关键技术突破。首先，该研究团队对其先前设计的辐射源进行了大幅改进。这种创新辐射源的核心是一个自行研发的连续波行波管放大器模块。这款66 TWTA模块采用了特殊的折叠波导慢波结构，使其能够实现高达3.82瓦的连续输出功率，信号增益则超过50dB7,8。该系统还采用了基于光/电转换的光子辅助太赫兹生成技术来产生高频高率的太赫兹信号，同时借助高增益的连续波行波管放大器来增强太赫兹信号的功率，从而弥补长距离太赫兹无线传输中的损耗。行波管模块的独特结构使得其能够实现前所未有的高功率输出。而光到太赫兹的转换原理则支持高调制速率（详见图1）。

图1
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太赫兹信号源的示意图

光子生成技术与电子放大技术的结合具有显著优势：高增益的连续波行波管放大器能够提升太赫兹信号的功率，足以弥补长距离太赫兹无线传输过程中产生的传播损耗和大气损耗。与此同时，光到太赫兹的转换技术还能实现灵活且高速的调制，非常适合用于下一代超高容量无线系统。这些创新共同构成了一个高效强大的平台，用于实现长距离太赫兹传输（详见图2）。

图2：5G与6G网络的概念。
图2：5G与6G网络的概念。
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a 主要依靠光纤传输。b 使用太赫兹无线通信

在接收端，通过采用分集接收技术可以提高检测灵敏度。在这种技术中，单个发射器会将信号发送到两个独立的接收器。具体而言，两个基于电子技术的太赫兹混频接收器被放置在PTFE透镜后面，彼此相距5厘米，以此提升检测性能。每个接收器都包含一个号角天线、一个太赫兹低噪声放大器以及一个集成谐波混频器，而且这两个接收器都由同一个射频源供电。

以5G网络为例，用户设备发送的数据通常会先经过基站里的射频单元，也就是天线系统，然后再被转发到分布式单元。分布式单元负责连接多个射频单元，协调它们的工作，并实现切换等功能。之后，数据会被传送到中央单元，该单元负责对多个分布式单元进行统一控制。而中央单元则与核心网络相连9,10.

目前，在射频单元、分布式单元、中央单元以及核心网络之间的传输链路中，大部分都是通过光纤来实现的。而那些段落正是有可能被太赫兹无线数据传输所取代的。在那些由于城市基础设施、自然障碍或受法律保护的建筑遗产及生态系统而无法铺设光纤的地区，太赫兹无线通信有望实现连接。

这项研究所达到的信噪比和带宽水平，使得数据传输速率能够大幅提升，远超100Gbit/sec的速率11,12.