TTHE MITTLEMAN GROUP/BROWN UNIVERSITY

一項新研究發現，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速度極快的6G數據網絡。

下一代無線通信（6G）將可能依靠太赫茲波來幫助達到前所未有的速度。太赫茲射線（也稱亞毫米波輻射或遠紅外線）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，是未來高速無線網絡的關鍵，它將以每秒太比特（萬億比特）的速度傳輸數據。

“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和休斯頓萊斯大學的研究人員試圖通過創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。

布朗大學工程學教授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，光子通常是直線運動的，除非它們經過空間和時間結構被強大引力場扭曲的區域，比如黑洞產生的引力場。

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，產生一個遵循彎曲軌跡的強度圖案。”

此前的研究（https://www.nbcnews.com/id/wbna22360801）于2007年首次用可見光產生了這種彎曲光束（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，可以用數字數據加載這些光束，并繞過障礙物發送信號。”即使存在部分阻擋發射器看到目標的障礙物，數據也能成功傳送到目標。

太赫茲信號（或許）是如何彎曲的？

科學家們開發了一種能產生各種太赫茲射線模式的發射器。當一種模式被障礙物阻擋時，發射器就會調整，用另一種模式發送數據，以保持通信鏈路的完整。

Mittleman說：“當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，為了讓這項新技術發揮作用，發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，目前典型的無線數據系統的工作頻率約為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厘米的發射天線，頻率為300千兆赫的近場可以延伸到數十米之外。這意味著它在典型的Wi-Fi場景中變得相關和有用。”

Hichem Guerboukha作為布朗大學的博士后研究員領導了這項研究，他現在是密蘇里大學堪薩斯城分校科學與工程學院的助理教授，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，曲率的大小受到發射機尺寸的限制，因此對于給定的發射機，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，可以到達多遠的距離。此外，研究人員還想看看曲率可能對帶寬產生什么影響。

Mittleman說：“當以高數據速率發送數據時，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。我們需要更詳細地了解這種效應的影響。”

Demetrios Christodoulides和他的同事們在2007年率先制造出了彎曲光束，他認為這項新研究也可能應用于成像領域。

位于洛杉磯的南加州大學電氣與計算機工程、物理與天文學教授Christodoulides說：“當你想避開不透明的區域時，我可以看到這種方法的優勢。”

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