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하이브리드 광전자 시너지로 구현된 300GHz 이상 킬로미터 규모 테라헤르츠 무선 통신

Terahertz (THz) bands are critical for next-generation wireless fronthaul/backhaul applications.

연구 분야 Photonics

Article Type Research analysis

Authors Cai et al.

Original Paper Published 2026-05-09

ISOM Posted 2026-05-11 17:15 UTC

Read Time 39M

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Editorial Disclosure

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The goal of this page is to help readers understand the paper's core question, method, evidence, and implications before opening the original publication.

배경 및 학문적 계보

기원 및 학문적 계보

본 논문에서 다루는 문제의 정확한 기원은 무선 통신에서 고속 데이터 트래픽에 대한 전 세계적인 수요 증가에서 비롯된다. 이러한 급증은 수십에서 수백 기가비트 초당의 데이터 속도를 지원할 수 있는 막대한 대역폭 잠재력 때문에, 특히 300 GHz 이상의 고주파 테라헤르츠(THz) 대역의 탐사를 촉진하였다. 역사적으로 이러한 THz 무선 링크는 차세대 무선 프론트홀/백홀 네트워크 및 비상 통신을 위한 중요한 솔루션으로 부상하였으며, 특히 산과 강과 같은 험준한 지형을 가로질러 기존 광섬유 인프라를 구축하는 것이 비현실적이거나 비용이 많이 드는 시나리오에서 그러하였다. 지난 10년간 광 기반 기술을 활용하는 광자 보조 THz 통신은 고주파, 고속, 실시간 THz 신호를 생성하고 THz 무선 링크를 기존 광섬유 네트워크에 원활하게 통합하기 위한 유망한 접근 방식으로 주목받아 왔다.

그러나 이전의 접근 방식은 저자들이 이 새로운 솔루션을 개발하도록 강요한 근본적인 한계에 직면하였다. 주요 "고충점(pain point)"은 특히 광자에 의해 가능해진 고주파 THz 통신의 심각하게 제한된 무선 전송 거리였다. 이 한계는 주로 두 가지 요인에 기인하였다:
1. 고유 전파 손실: 특히 300 GHz 이상의 고주파 THz파는 자유 공간 경로 손실 및 대기 흡수를 포함한 상당한 전파 손실을 겪는다. 예를 들어, 300 GHz THz파는 표준 조건 하에서 1 km의 대기 전송 후 이미 150 dB 이상의 총 손실을 경험한다.
2. 낮은 광-테라헤르츠(O/T) 변환 효율: 일반적으로 광다이오드를 사용하여 광 신호를 THz 신호로 변환하는 과정은 300 GHz 대역 이상에서 2% 미만의 전력 변환 효율을 보인다. 이러한 비효율성은 생성된 THz 신호의 출력 전력을 마이크로와트 수준으로 심각하게 제한한다.

최첨단 고체 테라헤르츠 증폭기(SSPA)가 일부 전력 증가를 제공할 수 있었지만, 본질적으로 50 mW 미만의 출력 전력과 30 dB 미만의 이득으로 제한되었다. 300 GHz 이상의 고급 진행파관 증폭기(TWTA)조차도 1 W 출력 전력과 18 dB 이득을 제공할 수 있었지만, 실질적인 킬로미터 수준의 커버리지를 위해 필요한 멀티와트 연속파 전력 및 30 dB 이상의 이득에는 미치지 못했다. 광자 보조 방식은 높은 데이터 속도를 제공했지만, 일반적으로 수백 미터 이내의 무선 전송 거리에 국한되었다. 이러한 한계는 장거리, 고용량 THz 무선 통신을 가능하게 하기 위해 THz 전력 증폭 및 수신 감도에서의 돌파구에 대한 긴급한 필요성을 집합적으로 강조하였다.

직관적인 도메인 용어

테라헤르츠(THz) 대역: 전체 라디오 스펙트럼을 광대한 고속도로 시스템으로 상상해보라. 현재의 Wi-Fi 및 모바일 데이터는 특정, 종종 혼잡한 차선을 사용한다. THz 대역은 기존 차선 훨씬 위에 있는, 새롭고 매우 넓으며 대부분 비어 있는 "고속도로"와 같다. 이 고속도로는 엄청나게 빠른 데이터 트래픽을 위해 설계되었으며, 오늘날의 혼잡한 디지털 도로에서 가능한 것보다 훨씬 빠르게 대량의 정보를 한 번에 전송할 수 있게 한다.
광전자 시너지: 이것을 메시지를 보내기 위한 매우 전문화된 릴레이 팀으로 생각해보라. "광학(Photonics)" (광섬유와 같은 빛 사용)은 초기, 매우 빠른 메시지 신호를 생성하는 데 탁월하지만, 매우 약하다. "전자(Electronics)" (전통적인 라디오파 사용)는 이 약한 신호를 받아 강력한 방송으로 증폭하고, 가장 약한 반환 메시지조차 들을 수 있는 민감한 귀를 가지고 있다. 이 "시너지"는 빛과 전자가 각자의 강점을 발휘하여 둘만으로는 달성할 수 없는 장거리, 고속 통신을 달성하는 스마트한 조합이다.
진행파관 증폭기(TWTA): 광대한 콘서트홀을 가로질러 들려야 하는 작고 약한 속삭임을 상상해보라. TWTA는 정교하고 고출력 확성기와 같다. 이 증폭기는 약한 THz 신호를 받아 특수 튜브를 통해 안내하고, 집중된 전자 흐름을 사용하여 신호 에너지의 "밀어내기" 및 증폭을 수행하여, 매우 크고 강력하게 만들어 장거리를 이동하고 명확하게 들릴 수 있게 한다. 이는 약한 신호를 강력한 빔으로 증폭하는 핵심 구성 요소이다.
공간 다이버시티 수신: 매우 바람이 많이 불고 예측 불가능한 경기장에서 공을 잡으려고 할 때, 한 손만 사용하면 많은 공을 놓칠 수 있다. 공간 다이버시티 수신은 같은 공을 잡기 위해 두 손, 또는 약간 떨어져 놓인 두 개의 별도 그물을 사용하는 것과 같다. 바람 때문에 공이 휘어져 한 그물이 놓치더라도 다른 그물이 잡을 수 있거나, 둘의 정보를 결합하여 훨씬 더 명확하고 안정적인 수신을 얻을 수 있다. 이는 신호 수신을 페이딩이나 간섭에 대해 훨씬 더 견고하게 만든다.

표기법 표

표기법	설명	단위
$G$	진행파관 증폭기(TWTAs)의 이득 매개변수	무차원
$K$	상호작용 임피던스	$\Omega$
$I_o$	DC 빔 전류	A
$V_o$	DC 빔 전압	V
$SNR_C$	결합 후 신호 대 잡음비 (다이버시티 수신)	dB
$\Delta SNR_{C,max}$	다이버시티 수신으로부터 달성 가능한 최대 SNR 이득	dB

문제 정의 및 제약 조건

핵심 문제 공식화 및 딜레마

본 논문에서 다루는 핵심 문제는 300 GHz 이상의 주파수 대역에서 작동하는 광자 보조 테라헤르츠(THz) 무선 통신 시스템의 전송 거리 및 데이터 전송률에 대한 심각한 제한이다.

입력/현재 상태:
특히 300 GHz 이상에서 작동하는 기존 광자 보조 THz 시스템은 다음과 같은 특징을 가진다.
- 낮은 THz 방출 전력: 일반적으로 포토다이오드를 사용하는 광-THz (O/T) 변환 과정은 300 GHz 대역 이상에서 2% 미만의 전력 변환 효율을 보인다. 이는 생성된 THz 신호의 출력 전력을 마이크로와트 수준으로 제한한다.
- 심각한 신호 열화: 고주파 THz파는 자유 공간 경로 손실 및 대기 흡수를 포함한 상당한 고유 전파 손실을 겪는다. 예를 들어, 300 GHz THz파는 표준 조건 하에서 1km의 대기 전송 후 150 dB 이상의 총 손실을 경험한다 (그림 1b).
- 낮은 수신 감도: 약한 수신 THz 신호와 시스템 노이즈가 결합되어 낮은 신호 대 잡음비(SNR)를 초래하며, 이는 달성 가능한 전송 거리와 데이터 전송률을 더욱 제한한다.
- 제한된 증폭기 성능: 300 GHz 이상의 최첨단 고체 THz 증폭기는 낮은 증폭 이득과 낮은 포화 출력 전력을 제공하며, 심지어 고급 진행파관 증폭기(TWTA) 프로토타입조차도 일반적으로 약 1 W의 출력 전력과 18 dB의 이득만을 제공한다. 이러한 수치는 킬로미터 수준의 커버리지를 위해 요구되는 수와트(watt) 수준의 연속파 전력과 30 dB 이상의 이득에는 미치지 못한다.
- 제한된 무선 거리: 결과적으로, 이전의 광자 보조 THz 통신 방식은 최대 850 m의 무선 거리로 제한되었다 (표 2).

목표 상태/달성하고자 하는 결과:
본 논문은 300 GHz 이상의 킬로미터 규모의 고용량 THz 무선 통신 달성을 목표로 한다. 구체적으로 다음과 같은 목표를 시연하고자 한다.
- 335 GHz에서 2.2 km 무선 링크를 통해 27.84 Gbit s$^{-1}$의 기록적인 순 데이터 전송률 달성.
- 300 GHz 이상에서 61,248 Gbit s$^{-1} \cdot$ m의 전례 없는 속도-거리 곱 달성.
- 와트(watt) 수준의 방출 및 높은 이득 증폭(예: 50 dB 이상)이 가능한 고출력 THz 송신기.
- 다양성 수신으로 향상될 수 있는 고감도 THz 수신기.

누락된 연결/수학적 간극:
정확한 누락된 연결은 THz 주파수에서 킬로미터 규모의 거리에 걸쳐 충분히 높은 신호 대 잡음비(SNR)를 유지하는 능력이다. 이는 내재된 전력 제한과 전파 손실을 고려할 때 필수적이다. 이를 위해서는 다음과 같은 시너지적 접근 방식이 필요하다.
1. THz 방출 전력 증폭: O/T 변환에서 나오는 마이크로와트 수준의 출력을 와트 수준의 전송으로 극복.
2. 높은 증폭 이득 달성: 심각한 경로 손실 보상.
3. 수신 감도 향상: 수신기에서 약한 신호의 탐지 개선.

본 논문은 이러한 간극을 구성 요소 및 기술 개발을 통해 수학적으로 연결하며, 이는 전체 링크 예산을 집합적으로 증가시켜 주어진 거리에 대해 수신기에서 더 높은 SNR을 가능하게 한다. 예를 들어, 단일 방출 및 이중 수신 다양성 방식의 이론적인 SNR 이득은 다음과 같이 최대 3 dB이다.
$$ \text{ASNR}_{\text{max}} = \lim_{\text{SNR}_0 \to \infty} \frac{\text{SNR}}{\text{mean}(\text{SNR}_1, \text{SNR}_2)} = 2 \frac{\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2}{(\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2)/2} = 2 $$
이는 이상적인 조건 하에서 유효 신호 전력의 두 배 증가 또는 SNR의 3 dB 이득을 나타내며, 이는 거리 확장에 매우 중요하다.

딜레마:
이전 연구자들은 높은 데이터 전송률 달성(높은 주파수 및 대역폭 요구)과 전송 거리 확장(높은 전력 및 낮은 손실 요구) 사이의 고통스러운 절충안에 갇혀 있었다. 구체적으로:
- 고주파 THz 대 전파 손실: 300 GHz 이상의 THz 대역은 높은 데이터 전송률을 위한 방대한 대역폭을 제공하지만, 극심한 자유 공간 경로 손실 및 대기 흡수에 본질적으로 취약하여 전송 거리를 심각하게 제한한다. 주파수 증가를 통해 데이터 전송률을 개선하는 것은 범위 문제를 직접적으로 악화시킨다.
- 광자 보조 생성 대 출력 전력: 광자 보조 THz 생성은 고주파 및 광대역 신호 생성에 뛰어나지만, 낮은 O/T 변환 효율은 생성된 THz 전력이 일반적으로 마이크로와트 범위에 있음을 의미한다. 이 낮은 전력은 장거리 링크의 높은 전파 손실을 극복할 수 없어 광자의 이점과 실질적인 범위의 필요성 사이에 근본적인 충돌을 야기한다.
- TWTA 성능 대 물리적 스케일링 한계: 필요한 수와트 전력 및 높은 이득을 달성하기 위해 THz 주파수로 TWTA를 스케일링하는 것은 심각한 문제를 야기한다. 이득 및 출력 전력 향상은 종종 안정성, 연속파 작동 및 대역폭의 희생을 동반하는데, 이는 느린 파동 구조(slow-wave structure)의 감쇠 손실 및 소형화 제약과 같은 근본적인 물리적 한계 때문이다.

제약 조건 및 실패 모드

이 문제는 여러 가지 가혹하고 현실적인 제약 조건으로 인해 해결하기가 극도로 어렵다.

물리적 제약 조건:
- 극심한 전파 손실: 언급했듯이, 300 GHz 이상의 THz파는 킬로미터당 150 dB를 초과하는 엄청난 대기 흡수 및 자유 공간 경로 손실을 겪는다. 이는 극도로 높은 방출 전력과 민감한 수신기를 필요로 한다.
- 낮은 광-THz (O/T) 변환 효율: 현재 O/T 변환 기술(예: UTC-PD 사용)의 근본적인 한계는 광 전력의 2% 미만이 THz 전력으로 변환됨을 의미하며, 이는 소스에서 마이크로와트 수준의 THz 신호를 초래한다.
- TWTA 스케일링 문제:
- 느린 파동 구조(SWS)의 심각한 감쇠 손실: THz 주파수에서 TWTA의 핵심 구성 요소인 SWS는 상당한 감쇠 손실을 겪어 전자 빔과 전자기파 간의 에너지 전달 효율을 직접적으로 저하시키며, 따라서 이득과 출력 전력을 제한한다.
- 소형화 및 오정렬: TWTA 구성 요소가 마이크로미터 규모로 축소됨에 따라, 전자 빔 궤적의 사소한 오정렬조차도 전송 효율을 크게 감소시키고 빔-파 상호 작용을 불안정하게 만든다.
- 열 부하: 마이크로 규모 구조에서의 빔 산란은 과도한 열 부하를 유발하여 THz 통신에 필수적인 연속파 작동을 방해한다.
- 표면 거칠기: 제조 공정은 SWS의 표면 거칠기를 유발하며, 이는 고주파 전류 경로를 길게 하고 도체 손실을 증가시킨다. 특히 제곱 평균 제곱근(RMS) 거칠기가 피부 깊이 $\delta = \sqrt{2/(\omega\mu\sigma)}$를 초과할 때 더욱 그렇다.
- 제한된 TWTA 대역폭 및 이득 평탄도: TWTA의 작동 대역폭은 제한될 수 있으며, 이득은 작동 대역폭에 걸쳐 상당히 변동될 수 있어 달성 가능한 전송 속도와 일관성을 제한한다.

계산 제약 조건:
- 복잡한 디지털 신호 처리(DSP): 높은 데이터 전송률을 달성하고 수신 감도를 개선하기 위해(예: 최대 비율 결합, MRC를 통해), 다운컨버전, 리샘플링, 동기화, 매칭 필터링, 반송파 위상 추정 및 LSTM-ANN과 같은 고급 이퀄라이저를 포함한 정교한 DSP 알고리즘이 필요하다. 이러한 과정은 상당한 계산 능력을 요구하며 지연 시간을 발생시킨다.
- 실시간 지연 요구 사항: 5G NR 및 고화질 비디오 전송과 같은 실제 응용 프로그램의 경우, DSP를 포함한 전체 통신 체인이 엄격한 실시간 지연으로 작동해야 하며, 이는 요구되는 처리의 복잡성을 고려할 때 어려운 과제이다.

데이터 기반 제약 조건:
- 다양성을 위한 통계적 독립성: 다양성 수신 방식의 효과는 대기 난류, 다중 경로 효과, 부분적 오정렬과 같은 장애가 서로 다른 수신 경로에 걸쳐 통계적으로 독립적이라는 가정에 의존한다. 이러한 장애가 높은 상관 관계를 보이면 다양성의 이점이 감소한다.
- 기계 학습 이퀄라이저를 위한 데이터: LSTM-ANN과 같은 데이터 기반 이퀄라이저는 채널 장애를 효과적으로 학습하고 적응하기 위해 상당하고 다양한 훈련 데이터가 필요하다. 이러한 데이터의 품질과 양은 이퀄라이저의 성능에 직접적인 영향을 미친다.

이러한 물리적, 계산적, 데이터 기반 제약 조건의 조합은 킬로미터 규모의 고용량 THz 무선 통신 달성을 다학제에 걸친 혁신적인 솔루션을 요구하는 매우 어려운 공학적 및 과학적 과제로 만든다.

Figure 1. Point-to-point long-range THz wireless communication based on a photonic–electronic converged solution. This work focuses on photonics-assisted THz signal generation with high-gain ampliﬁcation at the transmitter and high-sensitivity THz reception at the receiver, enabling high-speed and long-range THz wireless communication. a Vision of a point-to-point long-range THz wireless link. In certain scenarios where optical ﬁber deployment is inconvenient or extremely expensive, high-speed THz wireless links can replace optical ﬁbers to reduce overall deployment costs. b Air propagation loss of THz waves for standard conditions (temperature, 25 °C; relative humidity, 40%; standard atmospheric pressure). The total link loss of THz waves above 300 GHz exceeds 150 dB. c Concept of a THz transceiver based on a photonic–electronic converged solution. The photonics- assisted approach is used for high-frequency and high-speed THz signal generation. One high-gain TWTA is used to amplify the power of the resultant THz signal before emission, enough to overcome high path losses. Insets A and B show the corresponding optical and electrical spectra before and after O/T, respectively. Inset C shows the electrical spectrum after T/E. LD laser diode, OC optical coupler, O/T optical-to-THz conversion, T/ E THz-to-electric conversion, Tx transmitter, Rx receiver, TWTA traveling wave tube ampliﬁer, IF intermediate frequency

이 접근 방식은 왜

선택의 필연성

저자들이 300 GHz 이상의 킬로미터 규모 테라헤르츠(THz) 통신을 위한 기존 기술의 근본적인 한계에 대한 직접적인 대응으로, 고출력 연속파 주행파관 증폭기(TWTA)와 다이버시티 수신 방식을 통합하는 하이브리드 광전자 시너지 추구를 선택한 것은 임의적인 것이 아니었다.

기존 방식이 부적절함이 명확해진 결정적인 시점은 고주파 THz 전송의 심각한 문제점을 고려할 때 드러났다. 첫째, 자유 공간 경로 손실 및 대기 흡수를 포함한 고유의 전파 손실은 300 GHz 이상의 주파수에서 예외적으로 높아, 단 1 km 거리에서도 150 dB를 초과하는 경우가 빈번하다(그림 1b). 이는 장거리에 걸쳐 유효한 신호를 유지하기 위해 극도로 높은 방출 전력을 필요로 한다. 둘째, 광자 기반 THz 생성은 고주파 및 대역폭 신호에 탁월하지만, 일반적으로 광다이오드를 이용한 광-THz(O/T) 변환에 의존하는데, 이 대역에서 광다이오드의 전력 변환 효율은 2% 미만에 불과하다. 이는 출력 전력을 마이크로와트 수준으로 제한한다.

저자들은 명시적으로 "THz 무선 전송 거리의 확장은 핵심 증폭 부품에 의존해야 한다"고 밝히고 있다. 그러나 300 GHz 이상의 최첨단 고체 상태 THz 증폭기(SSPA)는 어느 정도의 전력 증가가 가능함에도 불구하고 "낮은 증폭 이득과 낮은 포화 출력 전력"이라는 근본적인 한계를 가진다. 표 1에서 볼 수 있듯이, SSPA는 일반적으로 50 mW 미만의 출력 전력과 30 dB 미만의 이득을 제공하는데, 이는 킬로미터 규모 링크의 막대한 링크 손실을 극복하는 데 필요한 수준에 비해 수십 배 낮은 수치이다. 이러한 인식은 "높은 전력 용량, 높은 신호 이득, 높은 신뢰성"으로 알려진 진공 전자 기반 TWTA를 필요한 와트 수준의 연속파 출력 전력과 높은 이득을 달성하기 위한 유일한 실행 가능한 경로로 만들었다.

비교 우위

선택된 접근 방식은 단순한 성능 지표를 넘어 여러 구조적 및 운영상의 이점을 통해 이전의 골드 스탠다드에 대한 질적인 우수성을 입증한다.

증폭 측면에서, 특히 변형된 원형 굽힘(MCB) 폴디드 도파관(FWG) 느린 파동 구조(SWS)를 특징으로 하는 새로운 설계의 진공 전자 기반 TWTA는 고체 상태 전력 증폭기(SSPA)에 비해 압도적인 이점을 제공한다. TWTA는 본질적으로 "높은 전력 용량, 높은 신호 이득, 높은 신뢰성"을 갖는다(3페이지). 결정적으로, 이들은 와트 수준의 출력 전력을 달성할 수 있으며, "비교 가능한 주파수에서 고체 상태 전력 증폭기(SSPA)를 한 자릿수 이상 능가한다"(3페이지). MCB FWG SWS의 구조적 혁신은 도파관의 굽힘 곡률을 확대하기 위해 기하학적 로딩을 도입하여 상호 작용 영역에서 축 방향 전기장을 실질적으로 향상시킨다. 이는 빔-파 결합 동역학을 직접적으로 개선하여 335 GHz에서 0.28 Ω(이전 SDV 설계의 경우)에서 1.7 Ω으로 결합 임피던스를 6배 향상시킨다(그림 2d). 이 향상된 결합 임피던스는 TWTA의 이득 매개변수 $G$가 상호 작용 임피던스 $K$에 직접 비례하므로 다음과 같이 주어지기 때문에 근본적인 구조적 이점이다.

$$G = \left(\frac{K I_0}{4 V_0}\right)^{1/3}$$

이러한 구조적 개선을 통해 TWTA는 최대 3.82 W의 연속 출력 전력과 50 dB 이상의 신호 이득을 달성할 수 있으며, 이는 SSPA 및 이전 TWTA 설계의 능력을 훨씬 능가한다.

수신 측면에서, LSTM-ANN 기반 최대 비율 결합(MRC)을 이용한 다이버시티 수신 방식은 전통적인 단일 입력 단일 출력(SISO) 링크에 비해 우수한 강건성과 감도를 제공한다. 이 방법은 고차원 잡음 및 채널 손상을 질적으로 훨씬 더 잘 처리한다. SISO 링크에서는 대기 난류, 다중 경로 효과, 부분적인 정렬 불량과 같은 문제가 중요하며 깊은 페이딩을 유발할 수 있다. 대조적으로, 다이버시티 수신 방식은 두 개의 독립적인 수신 경로를 활용한다. 손상은 서로 다른 경로에 대해 통계적으로 독립적이므로, "두 경로가 동시에 깊은 페이딩을 겪을 확률은 SISO 링크보다 훨씬 낮다"(9페이지). 또한, LSTM-ANN 결합기는 지능형 등화 전략 역할을 하여 두 입력 경로에 대한 가중치 계수를 자율적으로 최적화함으로써 전반적인 전송 성능을 크게 향상시키고 최대 2.9 dB의 상당한 SNR 이득을 달성한다(그림 5e). 이러한 구조적 이점은 동적인 실외 환경에서 보다 안정적이고 신뢰할 수 있는 링크를 제공한다.

제약 조건과의 일치

고출력 TWTA와 다이버시티 수신을 갖춘 선택된 하이브리드 광전자 접근 방식은 300 GHz 이상의 고속 킬로미터 규모 THz 무선 통신 달성이라는 엄격한 제약 조건과 완벽하게 일치한다. 문제의 혹독한 요구 사항과 해결책의 고유한 속성 간의 이러한 "결합"은 여러 핵심 측면에서 분명하다.

주요 제약 조건은 300 GHz 이상의 주파수에서 150 dB/km를 쉽게 초과할 수 있는 심각한 경로 손실 및 대기 흡수를 극복하는 것이다. 고출력 연속파 TWTA는 3.82 W의 전례 없는 출력 전력과 52 dB의 이득을 제공함으로써(표 1) 이를 직접적으로 해결한다. 이 와트 수준의 방출 전력은 2.2 km 거리에 걸친 막대한 링크 손실을 상쇄하는 데 필수적이다. TWTA의 연속파 작동 모드 또한 실용적인 THz 통신을 위한 근본적인 요구 사항으로, 지속적인 고출력 전송을 보장한다.

또 다른 중요한 제약 조건은 광자 기반 THz 생성의 낮은 출력 전력(<2% O/T 변환 효율로 인한 마이크로와트 수준)이다. TWTA는 이 약한 신호를 방출 전에 와트 수준으로 증폭하는 중요한 증폭 단계 역할을 하여 장거리 전송을 가능하게 한다.

고속 데이터 속도를 위해 시스템은 고유의 대역폭 기능을 위해 광자 기반 THz 생성을 활용한다. LSTM-ANN 기반 MRC 처리와 결합된 다이버시티 수신 방식은 이를 더욱 향상시킨다. 이를 통해 시스템은 단일 수신기의 5.5 GBaud에 비해 더 높은 보드율(8.7 GBaud)에서 25% SD-FEC BER 임계값을 충족할 수 있으며, 이에 따라 전송 속도를 34.8 Gbit s$^{-1}$로 증가시킨다. 이는 수십 또는 수백 기가비트 초당의 요구를 직접적으로 지원한다.

마지막으로, 까다로운 실외 환경(예: 도시 강, 그림 4c)에 대한 시스템의 강건성은 다이버시티 수신 방식을 통해 충족된다. 공간적으로 분리된 두 개의 수신기에서 신호를 결합함으로써 시스템은 실제 배포에서 흔히 발생하는 대기 난류, 다중 경로 페이딩 및 부분적인 정렬 불량의 영향을 완화한다. 이는 다양한 환경 조건에서도 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있는 링크를 보장한다. LSTM-ANN 결합기가 제공하는 지능형 등화는 이러한 강건성을 더욱 향상시킨다.

대안의 기각

이 논문은 300 GHz 이상의 장거리, 고속 THz 통신이라는 특정 문제에 대한 대안적 접근 방식의 내재적 한계를 강조하며, 그 기각에 대한 명확한 근거를 제공한다.

고체 상태 전력 증폭기(SSPA)는 필요한 전력 수준에 대해 불충분한 것으로 명시적으로 고려되었고 기각되었다. THz 주파수에 대한 SSPA가 존재하지만, 저자들은 "킬로미터 수준의 장거리 THz 무선 전송은 낮은 증폭 이득과 낮은 포화 출력 전력으로 인해 여전히 큰 어려움에 직면해 있다"(2페이지)고 언급한다. 표 1은 280-328 GHz 범위의 최첨단 SSPA가 일반적으로 최대 50 mW 미만의 전력과 30 dB 미만의 이득을 제공한다는 것을 보여줌으로써 이러한 기각을 정량적으로 뒷받침한다. 이와 극명하게 대조적으로, 제안된 TWTA는 3.82 W와 52 dB의 이득을 달성하여 출력 전력에서 SSPA를 "한 자릿수 이상" 능가한다. 전력 및 이득 용량의 이러한 엄청난 차이는 수백 데시벨의 손실을 극복해야 하는 킬로미터 규모 링크에 대해 SSPA를 실행 불가능하게 만든다.

순수 전자 기반 THz 생성 방식 또한 특히 고속 데이터 속도 및 작동 주파수와 관련하여 이 논문의 특정 목표에 대해 부적절한 것으로 간주되었다. 전자 기반 방식은 300 GHz에서 상대적으로 높은 출력 전력과 더 긴 무선 거리를 달성할 수 있지만, "전송 속도와 작동 THz 캐리어 주파수를 본질적으로 제한하는 전자 병목 현상"이라는 근본적인 문제점을 겪는다(11페이지). 이 논문은 "전자 병목 현상 제약으로 인한 변조 속도 제한, 다단 주파수 승수 체인에서의 곱셈 잡음 및 변환 손실 악화, 통합 어려움 증가"(11페이지)와 같은 문제를 지적한다. 대조적으로, 이 하이브리드 접근 방식의 생성 부분을 구성하는 광자 기반 방식은 "고주파, 대역폭, 초고속 무선 전송"(10페이지)을 가능하게 하는 데 우수하다. 따라서 순수 전자 방식은 차세대 무선 통신의 고용량 요구 사항을 충족하지 못할 것이다.

마지막으로, 전통적인 단일 입력 단일 출력(SISO) 무선 링크는 까다로운 환경에서의 강건성 부족으로 인해 기각되었다. 이 논문은 "대기 난류, 다중 경로 효과, 부분적인 정렬 불량과 같은 문제는 전통적인 단일 입력 단일 출력(SISO) 링크에 중요하다"(9페이지)고 강조한다. 두 개의 독립적인 수신 경로와 지능형 MRC 처리를 활용하는 제안된 다이버시티 수신 방식은 이러한 취약점을 직접적으로 해결한다. 두 경로가 동시에 깊은 페이딩을 겪을 확률은 SISO 링크보다 훨씬 낮으므로, 다이버시티 접근 방식은 실외, 장거리 THz 통신에 본질적으로 더 강건하고 신뢰할 수 있다.

Figure 2. Design of a 335 GHz continuous-wave TWTA. a Assembly drawing of the TWTA module. b Enlarged diagram of SWS; MCB SWS is used in this TWTA. c A two-section MCB model in CST Particle Studio. Different sections have different effects on electron bunching. d Coupling impedance comparison between SDV and MCBs. e Brillouin zone diagram of the MCBs with a beam line of 19 kV. The ﬁrst and second modes are the electric ﬁeld distributions of the ﬁrst and second eigenmodes, respectively, with both corresponding to the TE10 mode. f Transmission loss of MCBs. g Normalized phase velocity of MCBs. h Simulated output power and gain of the 335 GHz TWTA. i Frequency spectrum at 335 GHz. SWS slow-wave structure, PPM periodic permanent magnet, FWG folded waveguide, MCBs modiﬁed circular bends, SDV staggered double vane

수학 및 논리 메커니즘

마스터 방정식

본 논문의 장거리 THz 통신 시스템의 핵심 구성 요소인 다이버시티 수신 방식의 동력을 제공하는 핵심 수학적 엔진은 다음 두 방정식으로 요약된다. 이 방정식들은 전반적인 신호 품질을 향상시키기 위해 여러 수신 채널로부터의 신호가 어떻게 결합되는지를 설명한다.

첫 번째 방정식은 Maximum Ratio Combining (MRC) 처리 후 결합된 신호 대 잡음비($\text{SNR}_{\text{C}}$)를 정의한다:

$$ \text{SNR}_{\text{C}} = \frac{\text{SNR}_0(\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2) - 2\text{SNR}_0\text{SNR}_1\text{SNR}_2}{\text{SNR}_0 - \text{SNR}_1\text{SNR}_2} \quad (2) $$

두 번째 방정식은 이상적인 조건 하에서 달성 가능한 최대 SNR 이득($\text{ASNR}_{\text{C,max}}$)을 정량화한다:

$$ \text{ASNR}_{\text{C,max}} = \lim_{\text{SNR}_0 \to \infty} \frac{\text{SNR}_{\text{C}}}{\text{mean}(\text{SNR}_1, \text{SNR}_2)} = \frac{\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2}{(\text{SNR}_1 + \text{SNR}_2)/2} = 2 \quad (3) $$

항별 분석

전반적인 수학적 및 논리적 메커니즘에서의 각 구성 요소의 역할을 이해하기 위해 이 방정식들의 각 부분을 해부해 보자.

$\text{SNR}_{\text{C}}$ (결합 신호 대 잡음비)
1. 수학적 정의: 이는 두 다이버시티 수신 채널로부터의 최적 가중치 및 결합 전략을 적용한 후 계산된, 병합된 신호의 신호 대 잡음비이다.
2. 물리적/논리적 역할: $\text{SNR}_{\text{C}}$는 시스템의 다이버시티 수신을 통해 달성된 궁극적인 신호 품질을 나타낸다. 여기서 값이 높을수록 더 명확한 신호를 의미하며, 이는 직접적으로 낮은 비트 오류율(BER)로 이어지고 더 높은 데이터 속도와 더 긴 전송 거리를 가능하게 한다. 이는 다이버시티 방식의 효과를 나타내는 핵심 지표이다.
3. 이 구조를 사용하는 이유: 이 방정식의 특정 대수적 구조는 덧셈, 뺄셈, 곱셈의 조합으로, 두 개의 가중치 및 결합된 신호에 대한 일반적인 SNR 표현식에 결합된 신호의 SNR을 최대화하는 최적 가중치 계수 $w$를 대입한 후 대수적 단순화를 거친 결과이다. 본 논문은 보충 정보 S3에 상세한 유도 과정을 언급하고 있으나, 필자는 이에 접근할 수 없다. 그러나 그 형태 자체는 개별 채널 SNR을 결합하여 향상된 전체 SNR을 얻는 Maximum Ratio Combining (MRC)의 특징이다.
$\text{SNR}_0$ (초기 신호 대 잡음비)
1. 수학적 정의: PTFE THz 렌즈를 통과한 직후의 수신 신호의 신호 대 잡음비이며, 개별 전자 수신 채널로부터의 가산성 백색 가우시안 잡음(AWGN)이 도입되기 전의 값이다.
2. 물리적/논리적 역할: 이 항은 개별 수신기 전자 장치의 잡음 기여 전에, 무선 링크로부터 오는 THz 파의 기준 신호 품질을 나타낸다. 상당한 전파 손실이 있는 시나리오에서, 본 논문은 $\text{SNR}_0$가 일반적으로 개별 채널의 SNR($\text{SNR}_1, \text{SNR}_2$)보다 훨씬 높다고 언급하며, 이는 수신기 잡음이 성능을 제한하는 주요 요인임을 시사한다.
3. 이 연산자를 사용하는 이유: 수신 체인의 특정 지점에서의 신호 품질을 나타내는 MRC 계산의 기초 입력 매개변수 역할을 한다. 분자와 분모 모두에 존재한다는 것은 채널별 잡음이 추가되기 전의 전체 신호 및 잡음 구성 요소에 대한 그 영향을 반영한다.
$\text{SNR}_1$ (채널 1 신호 대 잡음비)
1. 수학적 정의: 첫 번째 독립 수신 채널을 통해 수신된 신호의 신호 대 잡음비이며, 해당 채널의 특정 가산성 백색 가우시안 잡음을 포함한다.
2. 물리적/논리적 역할: 이 항은 다이버시티 수신 설정에서 첫 번째 경로의 신호 품질을 정량화한다. 다이버시티 방식에서 통계적으로 독립적인 잡음 및 페이딩 특성을 가진 여러 경로를 갖는 것은 전반적인 시스템 신뢰성과 민감도를 향상시키는 데 중요하다.
3. 이 연산자를 사용하는 이유: 이는 구성 요소 SNR이며, 분자에서 $\text{SNR}_2$와 가산적으로 결합되어 결합된 신호 전력 기여를 반영하고, 분모에서 곱셈으로 잡음 상호 작용을 MRC 과정에서 설명한다.
$\text{SNR}_2$ (채널 2 신호 대 잡음비)
1. 수학적 정의: 두 번째 독립 수신 채널을 통해 수신된 신호의 신호 대 잡음비이며, 해당 채널의 특정 가산성 백색 가우시안 잡음을 포함한다.
2. 물리적/논리적 역할: $\text{SNR}_1$과 대칭적으로, 이 항은 두 번째 독립 수신 경로의 신호 품질을 정량화한다. 다이버시티 방식은 이 두 채널 간의 잡음 및 페이딩의 통계적 독립성을 활용하여 보다 강력한 신호를 달성한다.
3. 이 연산자를 사용하는 이유: 그 역할은 $\text{SNR}_1$과 대칭적이며, MRC 공식에서 결합된 신호 및 잡음 상호 작용에 기여한다.
$\text{ASNR}_{\text{C,max}}$ (최대 달성 가능 SNR 이득)
1. 수학적 정의: 초기 신호 대 잡음비($\text{SNR}_0$)가 무한대로 접근하는 이상적인 조건 하에서, 개별 채널 SNR의 평균에 대한 결합 신호의 SNR 이득에 대한 이론적 상한선이다.
2. 물리적/논리적 역할: 이 항은 다이버시티 수신 방식이 제공하는 성능 향상에 대한 이론적 벤치마크를 제공한다. 2 (또는 3 dB)의 값은 이상적으로 MRC가 단순히 개별 채널 SNR의 평균에 비해 신호 대 잡음비를 두 배로 늘릴 수 있음을 나타내며, 이는 약한 신호에 대해 상당한 향상이다.
3. 이 연산자를 사용하는 이유: 극한 연산($\lim_{\text{SNR}_0 \to \infty}$)은 이상적인 조건(즉, 초기 신호가 너무 강하여 수신기 잡음만이 유의미한 장애물인 경우) 하에서 시스템의 점근적 동작을 분석하는 데 사용된다. 비율 형태는 "이득"을 정의하고, $\text{SNR}_1$과 $\text{SNR}_2$의 평균으로 나누는 것은 단일 수신기의 평균 성능에 대해 이득을 정규화한다.
수학 연산자 (예: 덧셈 $+$, 뺄셈 $-$, 곱셈 $\times$, 나눗셈 $/$, 극한 $\lim$)
1. 수학적 정의: 이는 정량적 분석에 필수적인 표준 산술 연산 및 수학적 극한의 개념이다.
2. 물리적/논리적 역할:
  - 덧셈 ($+$): 서로 다른 소스 또는 채널로부터의 신호 전력의 동기 결합 또는 잡음 전력의 축적을 나타낸다. MRC에서는 신호가 보강적으로 더해진다.
  - 뺄셈 ($-$): 최적 가중치 계수 또는 단순화된 SNR 표현식의 유도 과정에서 종종 발생하는 특정 구성 요소를 분리하거나 차이를 나타내는 데 사용된다.
  - 곱셈 ($\times$): 특히 잡음 상호 작용이 모델링되는 분모에서, SNR 항 간의 스케일링, 가중치 부여 또는 상호 작용을 반영한다.
  - 나눗셈 ($/$): 가장 주목할 만한 것은 SNR 자체(신호 전력 나누기 잡음 전력)와 이득(출력 SNR 나누기 입력 SNR)을 정의한다.
  - 극한 ($\lim$): 특정 이상적인 조건(예: 매우 높은 초기 SNR) 하에서 시스템의 점근적 동작을 분석하는 데 사용되어 이론적 최대값을 도출할 수 있게 한다.
3. 이 연산자를 사용하는 이유: 이러한 연산자는 신호 결합, 잡음 축적, 신호 대 잡음비 및 통신 이론에서의 이득의 기본 정의의 물리적 과정을 정확하게 모델링하기 때문에 선택된다. 특정 배열은 각 수신 신호에 순간 SNR에 비례하여 가중치를 부여하여 출력 SNR을 최대화하는 것을 목표로 하는 Maximum Ratio Combining (MRC) 이론의 결과이다.

단계별 흐름

이 광전자 융합 시스템을 통해 추상적인 데이터 포인트가 이동하는 여정을, 수신 및 처리 측면에 초점을 맞춰 추적해 보자. 우리의 데이터 포인트를 정보의 작은, 보이지 않는 패킷으로 상상해 보자.

광 신호 기원: 우리의 데이터 포인트는 두 개의 튜너블 레이저 다이오드에서 생성된 광 신호에 인코딩되어 그 생명을 시작한다. 이 광 신호는 변조되고 결합된다.
THz 변환: 결합된 광 신호는 Uni-Traveling Carrier Photodiode (UTC-PD)로 들어가며, 이는 작은 공장처럼 작동하여 광 에너지를 약한 테라헤르츠(THz) 전기 신호로 변환한다. 이제 우리의 데이터 포인트는 THz 파를 타고 있다.
THz 증폭: 여전히 우리의 데이터 포인트를 담고 있는 이 약한 THz 신호는 강력한 연속파 진행파관 증폭기(TWTA)로 공급된다. 이 증폭기는 슈퍼차저와 같아서, 장거리 여정을 위해 신호의 전력을 상당히 증폭시킨다(예: 수 와트까지).
무선 전송: 이제 증폭된 THz 신호는 안테나를 통해 공중으로 발사된다. 우리의 데이터 포인트는 2.2km를 이동하며 대기 흡수 및 잠재적 페이딩과 같은 어려움에 직면한다. 수신단에는 상당히 약해지고 잡음으로 손상된 상태로 도착한다.
다이버시티 수신: 수신기에서 특수 PTFE 렌즈가 들어오는 THz 파를 집중시킨다. 결정적으로, 이 집중된 파는 두 개의 별도 THz 수신기로 향하며, 이들은 불과 5cm 간격으로 떨어져 있다. 이제 희미하고 잡음이 많은 우리의 단일 데이터 포인트는 두 수신기(Rx1 및 Rx2) 모두에 의해 동시에 캡처된다. 약간 떨어져 있기 때문에 각 수신 신호의 잡음 및 페이딩 효과는 다를 수 있으며, 우리의 데이터 포인트에 대한 두 가지 구별된 "보기"를 제공한다.
THz-전기 변환 및 디지털화: 각 수신기(Rx1 및 Rx2)는 수신된 THz 신호를 독립적으로 중간 주파수(IF) 전기 신호로 변환한다. 이 단계에서 각 경로는 자체 신호 대 잡음비($\text{SNR}_1$ 및 $\text{SNR}_2$)를 가지며, 이는 무선 전송 후 신호 품질과 개별 수신기 전자 장치에 의해 추가된 잡음을 반영한다. $\text{SNR}_0$ 항은 이 개별 수신기 잡음이 추가되기 전의 신호 품질을 나타낸다. 이러한 아날로그 IF 신호는 이후 디지털화된다.
디지털 신호 처리(DSP) - 사전 처리: 두 개의 디지털화된 IF 신호(CH1 및 CH2에서)는 DSP 모듈로 들어간다. 여기서 초기 처리를 거친다: 기저대역으로의 다운컨버전, 리샘플링, 프레임 동기화, 클럭 복구, 매칭 필터링, 반송파 위상 추정. 이는 우리의 데이터 포인트의 두 버전이 시간과 주파수에서 완벽하게 정렬되도록 보장한다.
LSTM-ANN 기반 MRC 처리: 이는 논리적 메커니즘의 핵심이다. 두 개의 사전 처리된 신호는 Long Short-Term Memory-Artificial Neural Network (LSTM-ANN) 이퀄라이저로 공급되어 Maximum Ratio Combining (MRC)을 수행한다. LSTM-ANN은 두 신호 각각에 대해 "최적 가중치 계수"($w$)를 동적으로 계산한다. 이 가중치는 지능적이다: 현재 더 나은 품질(더 높은 SNR)을 가진 신호 경로에 더 많은 강조(더 높은 가중치)를 부여하고, 더 잡음이 많은 경로에는 더 적은 강조를 부여한다.
신호 결합: 두 가중치 신호는 동기적으로 결합된다. 이는 단순한 평균이 아니라 출력 SNR을 최대화하도록 설계된 정교한 합이다. $\text{SNR}_{\text{C}}$ 방정식 (2)는 이 지능적인 결합 후 결과적으로 향상된 신호 품질을 수학적으로 설명한다.
출력: 결합된, 더 높은 SNR 신호는 우리의 복구된 데이터 포인트를 나타내며, 비트 오류율(BER) 계산과 같은 추가 처리를 위해 전달된다. $\text{ASNR}_{\text{C,max}}$ 방정식 (3)은 이상적으로 이 MRC 프로세스가 SNR을 두 배로 늘릴 수 있음을 알려주며, 희미한 데이터 포인트를 훨씬 더 명확하게 만들어 강력한 장거리 통신을 가능하게 한다. 이 전체 프로세스는 정교한 조립 라인과 같아서, 데이터 포인트가 변환, 증폭, 전송된 후 여러 잡음이 있는 관찰로부터 지능적으로 재구성되어 최대의 명확성을 달성한다.

최적화 동역학

이 시스템의 최적화 동역학은 주로 LSTM-ANN 이퀄라이저에 의해 적응적으로 관리되는 Maximum Ratio Combining (MRC) 프로세스를 통해 수신기에서의 신호 대 잡음비(SNR)를 최대화하는 데 집중된다.

최적화 목표: 근본적인 목표는 방정식 (2)로 정의된 결합 SNR, $\text{SNR}_{\text{C}}$를 최대화하는 것이다. 이는 시스템이 최상의 신호 품질을 달성하기 위해 두 수신 신호를 결합하는 이상적인 방법을 찾고자 하는 "SNR 최적화 문제"이다. 개념적으로, 이는 낮은 "손실"이 높은 $\text{SNR}_{\text{C}}$에 해당하는 "손실 지형"을 정의한다.
최적 가중치: MRC의 이론적 기초는 출력 SNR을 최대화하기 위해 각 수신 신호는 신호 진폭에 비례하고 잡음 전력에 반비례하여 가중치가 부여되어야 한다고 규정한다. 본 논문은 최적 가중치 계수 $w$에 대한 해석적 해를 제공한다:
$$ w = \frac{\text{E}[n_1^2]}{\text{E}[n_2^2]} = \frac{\text{SNR}_1^{-1} - \text{SNR}_0^{-1}}{\text{SNR}_2^{-1} - \text{SNR}_0^{-1}} $$
이 방정식은 채널 1 신호에 대한 채널 2 신호의 가중치가 해당 잡음 전력의 역수(또는 $\text{SNR}_0$에 대한 SNR)에 의해 결정됨을 보여준다. 채널 2가 잡음이 적으면(더 높은 $\text{SNR}_2$), 비례적으로 더 높은 가중치를 받아 최종 결합 신호에 더 많이 기여한다.
LSTM-ANN을 통한 학습 및 적응: 최적의 $w$는 정적 조건에 대해 해석적으로 유도될 수 있지만, 실제 무선 채널은 동적이다. 이것이 학습 및 적응 요소를 도입하는 "LSTM-ANN 기반 MRC 처리" 이퀄라이저가 등장하는 지점이다.
- 데이터 기반 적응: LSTM-ANN 이퀄라이저는 심볼 복구를 달성하기 위해 "데이터 기반 접근 방식"을 사용한다. 고정된 $w$ 계산에만 의존하는 대신, 신경망은 들어오는 데이터 스트림에서 직접 최적의 등화 및 결합 파라미터를 학습한다. 이를 통해 대기 난류, 다중 경로 효과, 부분적 잘못된 정렬과 같이 개별 채널 SNR($\text{SNR}_1, \text{SNR}_2$)이 시간에 따라 변동될 수 있는 변화하는 채널 조건에 적응할 수 있다.
- 반복 상태 업데이트: 순환 신경망의 한 유형인 LSTM-ANN은 데이터를 순차적으로 처리하며 과거 관찰에 대한 내부 "기억"을 유지한다. 작동 중에는 들어오는 신호를 기반으로 내부 상태와 파라미터(가중치 및 편향)를 지속적으로 업데이트한다. 이 반복 업데이트 프로세스는 일반적으로 비트 오류율(BER) 또는 출력 SNR 최대화와 같은 성능 지표를 최소화함으로써 구동된다. 특정 기울기 기반 최적화 알고리즘(예: 시간 역전파)은 논문에서 자세히 설명되지 않았지만, 신경망이 학습하는 기본 메커니즘이다.
- 동적 손실 지형: 무선 채널의 특성(페이딩, 잡음)은 최적의 신호 복구를 위한 "손실 지형"을 끊임없이 재구성한다. 데이터로부터 학습하는 LSTM-ANN의 능력과 "시간 기억"은 이 변화하는 지형을 동적으로 탐색하여 피크 성능을 유지하기 위해 효과적인 가중치 및 등화를 지속적으로 조정할 수 있게 한다. LSTM-ANN 결합기에 의한 "두 입력 경로의 성능 기반 가중치 부여"는 시스템이 계수를 자율적으로 최적화하도록 보장하며, 이는 어려운 실외 환경에서도 전반적인 전송 성능 및 견고성의 상당한 향상으로 이어진다. 이러한 적응적 학습은 채널 조건이 다양함에도 불구하고 시스템이 시간이 지남에 따라 최적 상태로 수렴하는 능력의 핵심이다.

Figure 3. Performance characterization of continuous-wave TWTA. a Experimental setup for the test bed. Using heterodyne photomixing, two lightwaves from two tunable lasers generate THz waves in the range of 329–340 GHz through the UTC-PD. An optical power meter is used to measure the UTC-PD input optical power, while both of the THz powers after UTC-PD and TWTA are measured using a THz power meter with a WR- 2.8 waveguide interface. b S-parameters of the ultrathin diamond RF window measured using a vector network analyzer, where the black curve represents S11 (reﬂection characteristics) and the red curve shows S21 (transmission characteristics). c TWTA output power versus the operation THz carrier frequency. The red, green, and blue lines represent different UTC-PD input optical powers (12, 13, and 14.5 dBm, respectively). d TWTA gain versus the THz carrier frequency under different UTC-PD input optical powers. e TWTA output power versus the operation photocurrent of UTC-PD under three different THz carrier frequencies. f Output powers of UTC-PD and TWTA versus the UTC-PD input optical power. EDFA erbium-doped ﬁber ampliﬁer, OS optical splitter, UTC-PD uni-traveling carrier photodiode, ISO Isolator, ANT antenna

Figure 4. Demonstration of the TWTA-based THz wireless communication system with diversity reception scheme. a Schematic of the 335 GHz long-range photonic–electronic converged THz wireless transmission system. The system includes an indoor photonics-assisted THz transmitter and a pair of diversity receivers, as well as an outdoor 2.2 km THz wireless link. b Photograph of the high-power photonics-assisted THz transmitter driven by a continuous-wave TWTA. c Wireless channel environment of a 2.2 km point-to-point link with several crossing urban rivers. d Photograph of the receiver side with a diversity reception scheme. e Details of the diversity receivers with two electronics-based THz mixing receivers spaced 5 cm. AWG arbitrary waveform generator, EAs electrical ampliﬁers, IQ Mod, in-phase (I) and quadrature (Q) modulator, DC bias direct current bias, Bias Contr. bias controller, EDFA erbium-doped ﬁber ampliﬁer, PC polarization controller, UTC-PD uni-traveling carrier photodiode, ISO isolator, CLHA cylindrical lens horn antenna, HA horn antenna, LNA low-noise ampliﬁer, IHM integrated harmonic mixer, RF radio frequency, DSO digital storage oscilloscope

결과, 한계점 및 결론

실험 설계 및 베이스라인

연구진은 하이브리드 광전자 테라헤르츠(THz) 통신 시스템의 성능을 엄격하게 검증하기 위해 실험 설계를 세심하게 수행하였다. 실험 장치의 핵심은 4a 도에 도시된 바와 같이, 실내 광자 보조 THz 송신기, 전자 기반 THz 다이버시티 수신기 쌍, 그리고 2.2 km의 까다로운 실외 THz 무선 링크로 구성되었다. 이 링크는 난징에 위치한 Purple Mountain Laboratories(Tx)와 Southeast University(Rx) 사이에 구축되었으며, 특히 4c 도에서 볼 수 있듯이 4개의 도시 강을 가로질러 설치되어 상당한 환경적 복잡성을 야기한다.

송신단(4b 도)에서는 전기광 변조를 사용하여 두 개의 튜너블 레이저 다이오드(LD1, LD2)에서 생성된 광 캐리어에 데이터를 인코딩하였다. 이 변조된 광 신호는 uni-traveling carrier photodiode(UTC-PD)를 통해 335 GHz THz 파로 변환되었다. 여기서 핵심적인 혁신은 자체 개발한 연속파 진행파관 증폭기(TWTA)를 사용하여 이 약한 THz 신호를 증폭함으로써 마이크로와트에서 와트 수준으로 출력을 증대시킨 것이다. 증폭된 THz 신호는 통합 원통형 렌즈 혼 안테나(CLHA)를 통해 공기 중으로 방사되었다. 2.2 km 링크에 걸친 정확한 빔 정렬은 3축 조절 헤드가 장착된 삼각대와 망원경을 사용하여 달성되었으며, 이는 신호가 원거리 수신기에 도달하도록 보장하였다.

수신단(4d 도) 역시 정교하게 설계되었다. 감쇠된 THz 전력을 최대로 수집하기 위해 대형 원형 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) THz 렌즈가 사용되었다. 수신 감도를 향상시키기 위해 5 cm 간격으로 배치된 전자 기반 THz 혼합 수신기 쌍(4e 도)이 배치되었다. 각 수신기는 혼 안테나(HA), THz 저잡음 증폭기(LNA), 그리고 공통 RF 소스에 의해 구동되는 통합 고조파 믹서(IHM)로 구성되었다. 두 수신기에서 다운컨버팅된 중간 주파수(IF) 신호(5 GHz 캐리어 주파수)는 실시간 디지털 저장 오실로스코프(DSO)에 의해 캡처되어 후속 오프라인 디지털 신호 처리(DSP)에 사용되었다.

특히 다이버시티 수신을 위한 신호 복구 DSP 흐름은 5a 도에 상세히 기술되어 있다. 초기 다운컨버전, 리샘플링, 동기화, 매칭 필터링, 캐리어 위상 추정 후, Rx1과 Rx2에서 얻은 두 개의 복소값 심볼 시퀀스는 장단기 기억-인공 신경망(LSTM-ANN) 이퀄라이저에 입력되었다. 이 데이터 기반 접근 방식은 Maximum Ratio Combining(MRC)을 수행하여 신호를 최적으로 병합한 후, 비트 오류율(BER)을 계산하였다.

TWTA의 효능을 명확히 입증하기 위해, 연구진은 최신 고체 THz 증폭기(SSPA) 및 이전 TWTA 프로토타입과 성능을 비교 평가하였으며, 이는 1번 표에 요약되어 있다. 무선 링크의 경우, "희생자"는 단일 수신기 구성("Only Rx1" 및 "Only Rx2")이었으며, 이는 제안된 다이버시티 수신 방식("Rx1 + Rx2 scheme")의 명백한 장점을 부각시키는 베이스라인 역할을 하였다. 또한, 전체 시스템 성능은 기존 문헌의 다른 장거리 THz 무선 통신 시스템(전자 기반 및 광자 보조 모두)과 비교되었다(2번 표).

증거가 입증하는 바

본 논문에서 제시된 증거는 주로 새로운 TWTA와 다이버시티 수신 방식에 의해 주도된 장거리 THz 무선 통신 분야의 상당한 발전을 명백하게 보여준다.

첫째, 자체 설계된 연속파 TWTA는 판도를 바꾸는 역할을 하였다. 시뮬레이션(2h 도)은 334 GHz에서 2 W 이상의 출력 전력과 52.8 dB의 이득을 예측하였다. 실험적 특성화(3c, 3e 도)는 이러한 주장을 확인하였으며, 335.5 GHz에서 7.6 mA의 광전류로 최대 3.82 W의 출력 전력에 도달하는 것을 보여주었다. TWTA는 또한 334.5 GHz에서 약 52 dB의 피크 이득(3d 도)을 나타냈으며, 8 GHz 대역폭(330.5 ~ 338.5 GHz)에 걸쳐 30 dB 이상의 이득을 유지하였다. 이러한 성능은 1번 표에서 강조된 바와 같이 상당한 도약이다. 이전의 SSPA는 일반적으로 50 mW 미만 및 30 dB 미만의 이득을 제공했으며, 이전 TWTA조차도 유사한 주파수에서 1.6 W 이상의 출력 전력 또는 18 dB 이상의 이득을 달성하는 데 어려움을 겪었다. 연구진의 혁신적인 수정 원형 벤드(MCB) 폴디드 도파관(FWG) 느린 파 구조(SWS)는 335 GHz에서 1.7 $\Omega$의 커플링 임피던스를 달성하여, 원래의 계단식 이중 베인(SDV) 설계(2d 도)의 0.28 $\Omega$보다 6배 향상된 성능을 보이며 이러한 결과의 결정적인 메커니즘이었다. 이러한 향상된 상호작용 임피던스는 관찰된 높은 이득과 출력 전력으로 직접 이어졌다. 주파수 스펙트럼(2i 도)은 47.1 dB의 이득으로 좋은 신호 순도를 보여주었다.

둘째, LSTM-ANN 기반 MRC 처리를 결합한 다이버시티 수신 방식은 수신기 감도와 전반적인 링크 성능을 극적으로 향상시켰다. 5b 도에서 볼 수 있듯이, 단일 수신기(Rx1 또는 Rx2)는 보드율이 5.5 GBaud를 초과할 때 25% SD-FEC BER 임계값(4.2 $\times$ 10$^{-2}$)을 충족하지 못했다. 이와 대조적으로, 제안된 Rx1 + Rx2 다이버시티 방식은 보드율을 8.7 GBaud까지 성공적으로 끌어올렸으며, 이는 전송 속도를 22 Gbit s$^{-1}$에서 34.8 Gbit s$^{-1}$로 58% 향상시켰다. 이러한 개선은 다이버시티 이득에 직접적으로 기인한다. 5c 도의 성좌 다이어그램은 이를 시각적으로 보여주며, 단일 수신기에 비해 다이버시티 방식에서 더 명확하고 집중된 클러스터를 보여준다. 정량적으로, 복구된 심볼의 평균 SNR은 12.95 dB(단일 Rx)에서 15.5 dB(다이버시티 Rx)로 향상되어 2.55 dB의 이득을 얻었으며(5e 도), 이는 이러한 방식에 대한 이론적인 3 dB 이득에 매우 근접한다. 또한, 5d 도는 다이버시티 수신 방식이 BER 임계값을 충족하기 위해 필요한 UTC-PD 입력 광 전력을 크게 줄이고 최적 BER을 7.71 $\times$ 10$^{-2}$에서 3.38 $\times$ 10$^{-2}$로 낮추었음을 보여준다.

종합적으로, 이러한 혁신은 전례 없는 장거리 THz 무선 링크를 가능하게 하였다. 시스템은 335 GHz에서 2.2 km 무선 링크를 통해 27.84 Gbit s$^{-1}$의 순 데이터 속도를 달성하였다. 이는 2번 표에서 강조된 바와 같이, 300 GHz 이상에서 61,248 Gbit s$^{-1}\cdot$m의 기록적인 속도-거리 곱을 나타낸다. 이 곱은 850 m 이내의 거리와 낮은 속도-거리 곱으로 제한되었던 이전의 광자 보조 방식들을 훨씬 능가하며, 이 주파수 대역에서 전자 기반 방식보다도 우수하다. 보충 정보에서 언급된 바와 같이, 2.2 km 링크를 통한 5G 신규 무선 및 고화질 비디오의 실시간 전송은 실제 환경에서의 시스템 견고성을 더욱 강조한다.

한계점 및 향후 방향

본 논문은 킬로미터 규모의 THz 무선 통신 분야에서 진정으로 획기적인 성과를 제시하지만, 동시에 향후 연구 및 개발을 위한 여러 한계점을 솔직하게 인정한다.

주요 한계점 중 하나는 연속파 TWTA 자체의 제한된 작동 대역폭과 해당 대역폭에서의 불균일한 이득에서 비롯된다. 이러한 요인들은 현재 장거리 THz 링크에서 달성 가능한 최대 전송 속도를 제한한다. TWTA는 기록적인 출력과 이득을 달성하지만, 더 넓은 주파수 범위에 걸쳐 일관된 성능을 유지하는 것은 지속적인 기술적 과제이다. 또한, 높은 UTC-PD 입력 광 전력에서 TWTA의 약간의 전력 포화만 관찰되었지만(3f 도), 이는 TWTA의 잠재적 출력 전력을 완전히 활용하기 위해 UTC-PD의 변환 효율을 더욱 개선할 수 있음을 시사한다.

향후, 추가적인 개발 및 발전을 위한 몇 가지 유망한 경로가 나타난다:

TWTA 성능 향상:
- 대역폭 및 이득 평탄도: 향후 연구는 더 평탄한 이득 프로파일과 더 넓은 작동 대역폭을 달성하기 위해 TWTA 설계를 최적화하는 데 우선순위를 두어야 한다. 이는 새로운 느린 파 구조, 고급 전자빔 성형 기술, 또는 주파수 의존적 손실을 보상하는 다단 증폭 아키텍처를 탐색함으로써 달성될 수 있다. 목표는 연구진이 제안한 바와 같이 100 Gbit s$^{-1}$ 이상의 전송 속도를 가능하게 하는 것이다.
- 전력 효율: 현재 3%를 넘어서는 TWTA의 전반적인 전력 효율을 개선하는 것은 실용적이고 에너지 효율적인 배치를 위해 매우 중요하다. 에너지 회수를 위한 보다 정교한 디프레스드 컬렉터 또는 대체 전자빔 생성 및 상호작용 메커니즘에 대한 연구는 상당한 이득을 가져올 수 있다.
- 소형화 및 통합: 현재 TWTA는 강력하지만, 크기와 복잡성은 고급 제조 기술과 광자 구성 요소와의 긴밀한 통합을 통해 줄일 수 있다. 이는 더 작고 배치 가능한 THz 송수신기를 용이하게 할 것이다.
고급 다이버시티 및 MIMO 시스템:
- 정교한 DSP 알고리즘: LSTM-ANN 기반 MRC는 효과적이지만, 이퀄라이제이션 및 결합을 위한 더 고급 기계 학습 또는 인공 지능 알고리즘을 탐색하면 특히 동적이고 복잡한 대기 채널에서 성능을 더욱 향상시킬 수 있다. 이러한 알고리즘은 대기 난류, 다중 경로 페이딩, 부분적 잘못된 정렬과 같은 장애물을 더 효과적으로 적응적으로 완화할 수 있다.
- 완전한 MIMO 구현: 두 개의 수신기로 구성된 다이버시티 방식에서 여러 송신 및 수신 안테나를 갖춘 완전한 다중 입력 다중 출력(MIMO) 시스템으로 확장하면, 특히 공간 다중화 또는 고급 빔포밍이 필요한 시나리오에서 더 높은 데이터 속도와 더 큰 링크 견고성을 확보할 수 있다.
시스템 견고성 및 적응성:
- 동적 채널 적응: 실시간 채널 조건(예: 습도, 비, 안개 변화)에 따라 변조 형식, 코딩 방식 및 전력 수준을 동적으로 조정할 수 있는 시스템을 개발하면 다양한 환경에서의 신뢰성과 가용성을 크게 향상시킬 것이다. 이를 위해서는 강력한 감지 및 피드백 메커니즘이 필요하다.
- 간섭 관리: THz 통신 시스템이 더욱 보편화됨에 따라, 다른 THz 소스 또는 공존하는 무선 시스템으로부터의 잠재적 간섭을 해결하는 것이 중요해질 것이다. 고급 간섭 제거 및 스펙트럼 공유 기술에 대한 연구가 필요할 것이다.
다른 THz 창 탐색:
- 335 GHz는 까다로운 대기 창이지만, 이 하이브리드 광전자 시너지를 다른 THz 주파수 대역(예: 140 GHz, 220 GHz, 또는 400-500 GHz와 같은 더 높은 주파수)에 적용하는 것을 조사하면 새로운 기회를 열 수 있다. 각 창은 경로 손실과 사용 가능한 대역폭 사이에 고유한 절충점을 제공하며, 특정 창에 기술을 맞춤화하면 다양한 응용 분야에 대한 성능을 최적화할 수 있다.
비용 및 상업화:
- 광범위한 채택을 위해서는 이러한 고성능 THz 구성 요소의 제조 비용 효율성을 해결해야 한다. 확장 가능하고 저렴한 제조 방법 및 조립 공정에 대한 연구는 상업적 생존 가능성에 필수적일 것이다.

이 연구는 킬로미터 규모의 THz 무선 통신을 향한 중요한 발걸음을 나타낸다. 제안된 논의 주제는 THz 전파 및 전력 생성의 근본적인 과제가 극복되고 있지만, 보편적이고 고용량 THz 네트워크를 향한 여정은 여러 과학 및 공학 분야에 걸친 지속적인 혁신을 요구하는 진행 중이며 흥미로운 노력임을 강조한다.

Figure 5. Experimental results of diversity reception processing over a 2.2 km THz wireless link at 335 GHz. All the results below adopt the 16QAM modulation format. a DSP ﬂow for signal MRC processing. For the single Rx1 or Rx2 receiving case, one typical third-order Volterra nonlinear equalizer is used instead of merging Rx1 and Rx2 via LSTM–ANN-based MRC processing. b BER versus the different symbol rate with a UTC-PD input optical power of 12 dBm. c Electrical spectrum of the downconverted IF signal (up ﬁgure) and constellation diagrams after signal recovery (down ﬁgure) under a ﬁxed symbol rate of 5 GBaud. d BER versus the UTC-PD input optical power with a 32 Gbit s−1 transmission rate. e SNR (left vertical axis) and average gain (right vertical axis) versus the UTC-PD input optical power with a 32 Gbit s−1 transmission rate. The theoretical gain for the single-emission and double-reception diversity scheme corresponds to 3 dB (see details in the Methods section), whereas the average gain in our experiment is calculated by subtracting the average SNR of RX1 and RX2 from the SNR obtained after merging Rx1 and Rx2. In this case, the calculated peak gain of SNR reaches up to 2.9 dB

다른 분야와의 연관성

수학적 골격

본 연구의 순수 수학적 핵심은 고주파 신호 증폭을 위한 주기적 구조 내 전자빔-파 상호작용 분석과, 다이버시티 수신 시스템에서 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)를 최대화하기 위한 다중 잡음 신호의 최적 결합에 있다.

인접 연구 분야

가속기 물리학 및 자유전자 레이저 (Free-Electron Lasers, FELs)

Traveling Wave Tube Amplifier (TWTA) 설계의 핵심인 주기적 저속파 구조 내 전자빔과 유도 전자기파 간의 상호작용 원리는 가속기 물리학 및 자유전자 레이저(FELs)에서 탐구되는 원리와 근본적으로 유사하다. 이득 파라미터 공식 $G = (\frac{K I_0}{4V_0})^{1/3}$은 전자빔과 전자기파 간의 에너지 전달 효율을 직접적으로 정량화한다. 전하 입자빔과 주기적 또는 준주기적 구조 내 전자기장 간의 공진 상호작용이라는 동일한 근본 물리학은 선형 가속기에서의 입자 가속 및 FELs에서의 결맞는 복사 생성에 필수적이다. 여기서 목표는 빔에 에너지를 전달하거나 빛으로서 에너지를 추출하는 것이며, 유사한 에너지 교환 과정이 발생한다.

무선 통신 (다이버시티 결합)

본 논문에서 사용된 다이버시티 수신 방식은 무선 통신 분야의 잘 확립된 Maximum Ratio Combining (MRC) 기법을 직접적으로 적용한다. 두 수신기 분기에서 오는 신호를 결합하여 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위한 수학적 프레임워크는, $\text{SNR}_C$에 대한 식 (2)와 식 (3)에서의 이론적 이득 한계로 표현되며, 다중 경로 환경에서 페이딩을 완화하고 링크 품질을 개선하기 위한 전형적인 방법이다. 이 기법은 다중 경로 환경에서 통신 링크의 견고성과 용량을 향상시키기 위해 현대 무선 표준에서 널리 채택되고 있다. (Lo, 1999, IEEE Trans. Commun.).

신호 처리를 위한 딥러닝

다이버시티 수신 처리에서 신호 복구를 위한 LSTM-ANN 기반 이퀄라이저의 통합은 신호 처리에 적용되는 딥러닝 분야와의 강력한 연관성을 강조한다. 이 데이터 기반 접근 방식은 Long Short-Term Memory (LSTM) 네트워크와 인공 신경망(ANNs)의 능력을 활용하여 복잡한 채널 손상 및 비선형 왜곡을 적응적으로 학습하고 보상한다. 이러한 신경망 아키텍처는 고속 통신 시스템에서 고급 이퀄라이제이션, 간섭 제거 및 채널 추정 작업에 점점 더 많이 사용되고 있으며, 여기서 전통적인 모델 기반 방법은 실제 채널의 복잡성으로 인해 어려움을 겪을 수 있다. (Liu et al., 2023, Optics Express).