太赫兹应用分析和展望

延凯悦，冯 毅，马静艳，张忠皓，李福昌（中国联通网络技术研究院，北京 100048）

0 前言

移动通信产业一直保持着“使用一代、建设一代、研发一代”的节奏，随着5G 商用的脚步越来越近，6G研究也在逐步展开。6G 要弥补5G 的不足，在信息速度、广度和深度上满足更深层次的智能通信需求。因此，6G 需要在架构、频谱、技术、空间等多个方面进行突破革新。尤其是频谱方面，为了支撑未来10～20 年全球移动数据业务的急剧增长，6G 对频谱需求巨大，需要继续开拓更高的频段，比如100～300 GHz 的太赫兹频谱，增强宽带，实现1 Tbit/s 以上的峰值速率，满足泛在化、社会化、智慧化、情境化等新型应用形态与业务模式。

1 太赫兹的研究背景

太赫兹频段范围为0.1～30 THz，处于微波和远红外光之间，有着光电融合的跨界特性。自从19 世纪后期正式命名之后，太赫兹就受到产业界重点关注，从事有关太赫兹科学技术研究工作的机构主要分布在美国、欧洲和日韩等地区，据不完全统计，共有300 多个研究组。

2004 年，美国政府就已将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一。2006 年又将太赫兹列为国防重点科学。DARPA 自2004 年起，先后投入超过20 亿美元，资助优势单位。美国国防部和国家地面情报中心也在2016 年开启了ERADS Radars 计划。此外，美国进行太赫兹研究的典型机构还有ARPA、贝尔实验室、JPL、国家科学基金会（NSF）等，这些机构强强联合，确立了美国在太赫兹核心器件方面的霸主地位。

欧盟在第5 框架计划FP5 到第8 框架计划FP8 之间将近20 年时间内，一直将太赫兹视为重点研究课题，投入了数十亿欧元，致力于开发太赫兹核心器件和应用技术，包括太赫兹系统，通用平台、级联器件、QCL超短脉冲等方面，力争在太赫兹产业化方面保证世界领先。德国、法国纷纷进行了太赫兹实验验证，其中德国在2013 开发的IAF 实验系统，可以实现100 Gbit/s，20 m距离传输，创造了世界新纪录。

日本于2005 年1 月将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，并列入第3期科学技术基本计划予以大力支持，举全国之力进行研发。以NTT 为代表，东京大学、大阪大学等高校、研究所和实验室、半导体厂商、政府机构等纷纷投入太赫兹研发热潮中。目前，日本的120 GHz 通信系统已经可以在4K 及8K高清赛事转播应用上实现商业化，日本总务省也提出要在即将到来的2020 年的东京奥运会上提供基于太赫兹技术的100 Gbit/s无线局域网服务。

中国太赫兹研究与欧美国家相比，并无明显差距。早在2005年11月，我国政府在“香山科技会议”上就讨论并制定了中国太赫兹技术的发展规划，在国务院印发的“十三五”国家科技创新规划上，明确将太赫兹列入要大力发展的新一代信息技术，可见我国对太赫兹技术的重视程度。目前，国内已经有100 多家研究机构开展太赫兹领域的相关研究。其中首都师范大学、电子科技大学、中科院上海微系统所、中国工程院物理研究微太中心等处于国内领先地位。

2 太赫兹特性分析

传播特性方面，太赫兹介于微波和红外之间，与更高频段的红外光谱相比，太赫兹受云、雾、大风沙尘影响小。但相比更低频段的毫米波频段，太赫兹频段高，空间损耗大，多普勒频移大，传播距离短，受大气影响显著，特别是容易受水蒸气、雨水衰减的影响。研究表明，400 GHz 以上的太赫兹，在50 m 范围内0.1 g/m3的雾天环境下额外的衰减为8 dB/km；至于雨衰，低于10 GHz 时可以忽略，在10～120 GHz 范围时，随着频率递增，超过300～900 GHz 范围时，随着频率递减，但仍维持一个较高的损耗水平。因此在选择候选频段用于地面应用时，需要避开这些衰减严重的频段。目前业界排除了超过1 THz 的存在极端衰减的频段，认为比较合适的频率窗口包括94、140、220、340 GHz，其中ITU已指定120 和220 GHz 频段分别用于下一代地面无线通信和卫星间通信。

图1示出的是太赫兹频段示意图。

太赫兹的特性可以总结为以下几方面。

a）宽带性：太赫兹的频谱带宽比微波高几个数量级，频谱范围非常宽，是良好的信息载体，此外，因为有极宽的频谱，可根据被测对象的特点选择不同的测试频率，进行特征谱检测。

b）高分辨性：太赫兹激光器的脉冲为皮秒量级，能够达到很高的时间分辨率，可以用于生物样本等对时间分辨率较高的研究中，空间分辨率高可用于高分辨成像；多普勒频率高分辨可用于测速和目标探测。

c）低能性：太赫兹的光子能量仅为毫电子伏特，不到X 射线光子能量的百分之一，不会产生电离效应破坏被检测的物质。

d）电磁特性：太赫兹电磁波特性可以突破“黑障区”（等离子鞘套），可用于空间飞行器通信。

e）穿透性：太赫兹辐射对非金属穿透能力很强，对于日常所见的大部分介质，比如塑料、布料、陶瓷、纸张、木材、电介质等均具有很强的穿透性，衰减系数比超声波小2～3个数量级，但很难穿透金属材质和水，可以用于内部质量检测。

f）特征谱：太赫兹的频谱很宽，能够覆盖蛋白质和毒品等大分子的转动振荡频率，这些大分子都在太赫兹波段具有很强的吸收和谐振，构成了相应的太赫兹特征谱，可以用于成分识别。

3 太赫兹在各个领域的应用

随着新技术、新材料、新工艺的突破，太赫兹辐射源和探测器的相继问世，使得太赫兹不仅局限于理论研究，在应用方面也得到快速发展。基于前一章介绍的丰富的太赫兹特性，可以在医疗诊断、检测成像、移动通信，军事雷达等众多领域发挥其广阔的科学价值和实用价值，下面将进行具体的应用分析。

3.1 军事领域的应用

太赫兹具有通信容量大、方向性好、保密性及抗干扰能力强等特点，与目前红外照射、激光制导、电视制导等武器装备的制导方式相比，可以穿透云层烟雾，还有优良的制导隐蔽性能，具有很高的军事应用价值。

a）反隐身设备：飞行器主要通过表面涂层吸收雷达探测波从而实现隐形，太赫兹雷达发射的太赫兹脉冲包含丰富的频率，可使隐形飞行物体的窄带吸波涂层失去作用，并且太赫兹雷达波，对扁平形薄边缘仅产生很小的共振面而使反射波仍然较强，因此特别适合应用于超带宽反隐身太赫兹雷达。

b）导航：太赫兹波与红外比具有较强的云雾穿透能力和方向性。红外光在浓雾中的衰减幅度比太赫兹波衰减幅度高4 个数量级；灰尘的衰减幅度比太赫兹波衰减幅度高约2个数量级，因而，太赫兹很适合制作高分辨率全天候的导航系统，在浓雾中导航，指挥飞机着陆。

c）雷达设备：太赫兹的波长短、分辨率高，是高精度雷达的技术基础。太赫兹辐射具有比微波更短的波长及更精确的时间检测装置，可探测比微波雷达更小的目标、实现更精确的定位。

d）保密通信：相对于毫米波，太赫兹波长短、波束指向性强、方向性更好，且天线系统可以实现小型化和平面化，便于设备隐蔽。相对于目前的空间光通信，太赫兹在烟雾、粉尘、水汽、化学气氛以及高低温等恶劣环境中对检测信号的传播影响极小，更易实现可靠传输。此外，大气的衰减使太赫兹通信被局限在近距离内，信号无法传播到敌方的监听机构处，可有效防止窃听。

3.2 检测领域的应用

利用太赫兹的穿透性结合成像技术，可以实现非接触、非破坏性的探测。太赫兹成像也是利用太赫兹射线照射被测物，通过透射或反射获得样品的信息。不同的是，太赫兹源相比超声波，成像检测精度更高。此外，太赫兹脉冲成像可以对物质进行功能成像，获得物质内部的折射率分布，进行成分识别。因而，太赫兹检测领域有诸多应用。

a）安检：公共场所进行安全检查是保障公共财产安全最重要的手段之一。目前安检常用的方法有X射线法和金属探测法。X 射线法会对人体会造成一定伤害，只能用于行李、货物的检测。金属探测法功能单一，只能报警，无法定位，还需要配合安检人员进行接触性手动搜索。太赫兹技术可以有效地检测和识别隐藏在各种遮盖物下的枪支、刀具等武器，实现非接触测量。识别现有的金属探测器和X射线安检等设备无法识别的陶瓷刀具、塑料炸药等新型武器。此外，太赫兹光谱技术可以检测隐藏物质的成分，通过特征光谱将爆炸物、毒品等化学生物制剂从分子层次加以识别。通过同时侦测密闭包装内物品的外形与成分，大大提高了安检的可靠性和准确性。

b）食品检测：许多食品的大分子成分的特征谱线在太赫兹频段，可以根据物质的特征谱线对物质进行识别。目前已有能够用于食品安全检测的装置，能够发射和探测一定频率范围内的电磁波，直接作用于探测食品上，根据透射或者反射的光强进行分析，从而有效识别DNA结构、蛋白质的变性、细菌和霉菌情况。

c）质量检测：质量检测是利用太赫兹电磁信号对大部分干燥、非金属、非极性材料有较好的穿透能力，再结合成像技术实现。除了能检测体积型缺陷外，还能检测X 射线难以检测的平面型缺陷，如裂纹、污点、脱离和黏合等，检测效率高。最典型的应用是航天、雷达材料的检测。

在航天飞机发射过程中，如果泡沫隔离块脱落撞击航天飞机，则会发生严重事故，轻则损坏飞机，重则发生爆炸，因此，检测泡沫材料中缺陷是确保航天飞机安全发射的关键所在。太赫兹波成像被美国宇航局选为未来探测发射中缺陷的四种技术之一。泡沫塑料材料在太赫兹波段具有非常低的吸收率和折射率。太赫兹可以穿过几英寸厚的泡沫材料，在各个交接层逐点扫描得到样品各个点的时域波形，看到不同层的情况，并分析波形的变化来判断缺陷位置和大小、形状和种类，缺陷类型。传统成像技术只能提供每个像素的强度信息，而太赫兹时域成像记录了每个像素点上太赫兹脉冲的整个时域波形，可以提供更多维度信息，使检测更加高效快捷准确。

d）大气监测：类似地，碳（C），水（H2O），一氧化氮（NO），氮（N2），氧（O2）等大量的分子的转动和谐振频率都在太赫兹频谱覆盖范围内，可以产生各自的太赫兹特征谱，用于大气污染监测和天文探测。

3.3 生物医疗领域的应用

太赫兹可以为当前重大疾病诊断、有效干预提供先进的技术手段。太赫兹光子能量范围较宽，覆盖了生物大分子空间构象的能级范围。大部分生物大分子都在太赫兹波段具有很强的吸收和谐振，可以探测到的代表生物大分子功能的空间构象等重要信息。同时，太赫兹光子能量低，对大部分的生物细胞不会造成伤害，非常适合对生物组织进行实时的活体检测。

目前，我国已基本具备太赫兹生物医学研究的基础。具体的应用实例有：

a）口腔疾病诊断：利用太赫兹成像观测牙齿，区分牙齿的正常部分与损蛀部分。

b）成分分析：利用THz-TDS技术对药物分子进行测量，得到不同太赫兹吸收谱，从而区分药物成分。

c）癌症早期诊断：利用大分子在太赫兹波段的吸收和谐振，癌变组织和正常组织的太赫兹波有不同的振幅，波形和时间延迟，可以从中得到肿瘤的大小和形状。

此外，还可以构建基于太赫兹的医疗检测系统。通过在人体内植入纳米级微型传感器，实时检测人体健康指标，比如血液成分、传染性病原体、癌症指标、血糖和胆固醇等，人体内的多个传感器构成一个传感器网络，不同传感器之间通过太赫兹无线接口通信。同时可以将数据传至体外的医疗设备或者手机终端设备上，从而方便医疗体检中心进行分析、处理、诊断，用户可以通过手机APP 看到分析后的结果，不用再去医院就可以随时关注自己的健康。

3.4 太赫兹在航空领域应用

太赫兹波在外层星际空间中可做到无损传输，通过极低的功率就可实现超远距离传输。相对于光通信，其波束较宽，容易对准，天线系统可以实现小型化、平面化，还可以避免地球辐射噪声干扰和信号监听。

此外，太赫兹可穿透通信黑障，解决“黑障通信”问题。当超高音速的飞行器在大气层穿越的过程中，飞行器的动能转化为大量的热能，使飞行器周围的大气加热，发生大气电离，飞行器周围会形成等离子体鞘套，严重影响通信质量，甚至会导致通信中断，这就是所谓的通信黑障。在黑障区，飞行器无法被测量、监控和遥控，影响飞行器的安全和任务成败。解决通信黑障的手段有多种，提高通信频率是最简单有效的一种。太赫兹因其高频率可以穿透离子体鞘套，消除黑障的影响，十分适合用于星间通信。比如太赫兹可以用作低轨道卫星超高速大容量传输，还可以用作空间站与伴飞设备之间通信，促进天地信息互通。

图2示出的是太赫兹用于星间通信。

图2 太赫兹用于星间通信

3.5 太赫兹在通信领域的应用

地面无线通信方面，太赫兹也有自己的独特优势。太赫兹带宽丰富，通信容量大，传输速率高。此外，太赫兹波长短、抗电磁干扰、安全性高、辐射小，易于集成，可以基于光子技术实现，便于设备小型化。但太赫兹也有容易被水分吸收、信号衰减大的缺点，不适合长距离传输。综上，太赫兹在通信领域可以用作以下场景。

a）超热点超高速通信场景：太赫兹基站可以部署在热点地区提供热点网络覆盖，作为宏蜂窝网络的补充，比如小区超宽带无线通信、家庭或办公环境中智能设备之间的高速连接。太赫兹还可以应用在数据中心机房，实现数据中心设备间的超高速无线传输。利用太赫兹通信数据速率高和低延时的特点，可以支持一些超大带宽业务，比如多路8K高清视频，全息通信等。

b）光纤替代通信场景：太赫兹类似于毫米波，适用于光纤不易接入或成本过高的地区，代替光纤或电缆实现基站数据的高速回传，节省光纤部署成本。5G和6G 时代，多层超密集组网使得移动基站密度越来越大，回传容量越来越大。需要更加密集的大容量回传网络，如果仍然采用光纤布设的方式，成本及维护将变得更加难以接受。另一方面，在沙漠、河流等场地受限无法部署光纤的地方应用太赫兹无线链路实现高速数据传输，作为光纤的延伸。最常见的，用太赫兹解决光纤接入最后一公里的问题，实现家庭带宽接入，通过在室外挂墙、室内靠窗安装CPE，可以将无线信号转为Wi-Fi信号。

c）微观领域通信场景：基于太赫兹波长极短的特点实现毫微尺寸太赫兹收发信机与天线，可以进行微观领域通信，在极短距离范围内实现超高速数据链应用。应用之一是利用太赫兹实现片上通信，提供芯片上/芯片间超高速、高可靠、低时延的无线数据传输。此外，可以实现微型电子设备或者可穿戴设备间通信，将太赫兹收发装置植入电子设备中，并使用太赫兹通信技术将其互连接入互联网。比如在人体植入太赫兹传感设备，监控标志物和病原体等，实现人体数据的检测、感知和传输。

d）安全接入：太赫兹的路径损耗相同情况下比毫米波大20～40 dB，120G 相对26G，覆盖距离是其0.2 倍左右。利用太赫兹通信距离短、指向性好的特点，可以代替蓝牙、ZigBee，支持小范围的安全通信，比如安全支付等。

4 总结和展望

随着6G 需求的提出，太赫兹技术发展迅猛，在社会和国民经济中的地位举足轻重，广泛应用在检测、军事、医疗、通信等众多领域。但是太赫兹技术发展仍面临着一些瓶颈，比如：太赫兹辐射源、调制解调器、灵敏的检测器一直在限制着太赫兹的发展，此外，还要积极推动太赫兹相关科研成果尽快转化为可以落地的生产力，这需要将产、学、研、资整个产业链聚合起来，进行跨界合作，共同解决领域内所面临的技术、产品、市场、标准、资本等问题。

中国联通提出了未来5 年内的太赫兹推进计划，在2019—2021 年重点聚焦太赫兹技术预研、跟进和推动；2022—2024 年进行太赫兹应用示范和产业引导；2024 年，积极推进太赫兹广泛应用和落地。为实现这一目标，中国联通还成立了毫米波太赫兹联合创新中心，通过这一权威的跨界平台，凝聚产学研力量，推动太赫兹通信技术研发和产业进展，孵化太赫兹在垂直行业的应用，共同打造太赫兹产业生态体系。