太赫兹技术及其通信领域的应用前景

梁兆楠，曹彦男

（国家无线电监测中心检测中心，北京 100041）

1 太赫兹技术简介

1.1 太赫兹波简介

太赫兹（Tera Hertz，THz）是一种介于无线电波和光波之间的电磁辐射，是一种频率的波动单位，1 THz=1，000，000，000，000 Hz，一般表示电磁波的频率。太赫兹（THz）波的频率范围是0.1 -10 THz，波长范围是0.03 -3 mm。太赫兹波在无线电长波段与毫米波相重合，在无线电短波段与红外光相重合，红外和微波技术在现代科技发展的今天，一直发展的比较成熟，太赫兹是宏观经典理论向微观量子理论的过渡区，也是电子学向光子学的过渡区，但人们对太赫兹波段的认识非常有限，故称为电磁波谱的“太赫兹空隙（THz gap）”。太赫兹波是一种新的、有着独特优点的辐射源，具有频谱带宽高、可携带信息多、低光子能量、安全性高、定向性好等特性。是交叉前沿领域里一个全新的非常重要的课题，THz研究对国民经济和国家安全有重大的应用价值。

1.2 太赫兹特性

太赫兹位于微波和红外之间，目前对太赫兹的研究主要在电子学领域和光子学领域中。太赫兹具备以下特性[1]：

（1）指纹性：大部分物质在晶格振动和分子转动中引起的能级跃迁所对应的频段都在太赫兹频谱段，因而不同物质的光谱位置、强度、形状均有差异，这种惟一性，常被称作为太赫兹“指纹谱”。

（2）穿透性：太赫兹辐射对不同物质的透射性的区别性很大，因此利用太赫兹频谱成像可以有效的区分不同物质的材质，尤其是对可见光不透明的物体进行太赫兹成像，可探知材料内部或被遮挡的区域。

（3）安全性：太赫兹波的光子能量在毫电子伏特量级，与X射线相比，能量量级非常低，仅为X射线单光子能量的百万分之一。而且水对它具有强烈的吸收，照射在物体上尤其是生物组织，不会由于太赫兹的照射而产生光的电子电离辐射。

（4）宽频谱脉冲：太赫兹波的频谱范围从几十个GHz到几十个THz。因此利用太赫兹在测量领域、在识别生物领域等方面具有非常广泛的应用前景。

（5）稳定性：太赫兹时域光谱（THz-TDS）技术是太赫兹光谱技术的典型代表，是一种全新的相干探测技术。THz-TDS系统对黑体辐射不敏感，可以有效地探测材料在太赫兹波段的物理信息和化学信息，稳定性也比较好。

（6）相干性：太赫兹波的相干性属于太赫兹的光学领域的研究范畴，理论依据是非线性光学差频变换产生，因此THz技术可以作为一种辐射源，用于机场、车站等公共场所的安全监测检测，现阶段，太赫兹 技术的这一特点被广泛应用于安检设备。通过主动扫描和被动扫描两种方式完成快速通过式的安全检查程序。特别是，极性物质（例如：水）对太赫兹波的吸收性比较强，在太赫兹成像技术中可以利用这个特性用来分辨生物组织的不同形态，例如动物组织中脂肪和肌肉的分布、烧伤部位的损伤程度、植物叶片组织的水分含量分布等。

太赫兹波有丰富的频段资源可利用，下面将探讨分析太赫兹通信的技术特点。

2 太赫兹通信技术特点

2.1 超大带宽

太赫兹波具有频谱带宽高、可携带信息多、低光子能量、安全性高、定向性好的技术特点是未来通信可实现超宽带和高速率的最显著的优势。相比微波频段通信，太赫兹频段如果用于超高速通信，具有非常丰富的频率资源，可利用的工作带宽高达几十GHz，目前，采用太赫兹技术的原型通信系统的工作带宽已经可以达到2GHz[2]。

2.2 超高速率通信能力

太赫兹通信目前可在0.3 THz下实现48 Gb/s 的双通道多输入多输出实时通信，工作频段在300 GHz以下的最高传输速率可达100 Gb/s[2]。

2.3 高传播损耗

根据电磁波的传播特性，太赫兹波的频段由于频率高，所以传播与损耗也更大。太赫兹通信具备超大带宽、超高速率两大优点，也存在路径损耗大、穿透性差、易被遮挡等缺点。因此，如何利用好太赫兹的优点，弱化其缺点来实现不同的通信应用场景，以及成像感知等应用技术的融合，是太赫兹通信技术研究的主要目标。

3 太赫兹应用技术应用领域

3.1 太赫兹移动通信

国际通信联盟已经明确，在5G移动通信后的下一代地面无线通信的频段已经指定为0.12 THz，未来将是太赫兹通信时代[5]。太赫兹波的频率相比微波频段通信，具有非常丰富的频率资源，首先5G通信在毫米波频段最大工作带宽为800 MHz，而太赫兹频段0.1-10 THz，可利用的工作带宽高达几十GHz，比目前通信领域使用的微波频率高数十倍至数百倍，能提供10 Gb/s以上的无线传输速率。因此，利用太赫兹波将会解决信息传输的两大问题：一是信息传输受制于带宽的问题，二是满足未来用户使用对通信网络速度的需求。

3.2 军事通信

在国际上，太赫兹 技术一直受到各国军事部门的高度重视。美国十分重视太赫兹技术的发展，早在20世纪50年代，美国的DARPA就陆续启动一系列项目用来研究在战场环境下如何建立有效的网络进行数据通信，DARPA（Defense Advanced Research Project Agency，国防部高级研究计划局）是美国国防部专门成立用来研究军事前沿科技的单位。DARPA后续还启动了“太赫兹作战延伸后方”项目计划，该项目研究的“技术”与现有的通信射频链路相比较，数据速率是微波通信射频链路的40 倍。而该“技术”使用的设备尺寸、重量、功耗乃至成本则仅为微波通信设备的十分之一左右[3]。随着基础器件的关键技术成熟度增加、成本下降、稳定性增强，太赫兹通信凭其独有的优势，利用基础器件的优势，在军事通信领域的应用前景会一片光明。

3.3 天基通信

天基通信系统是一种卫星之间以及卫星与无人机、与地面地基站之间的高速通信网络。当前，用于超宽带无线通信传输速率高，数据速率可以达到几十兆比特每秒到几百兆比特每秒，THz用于卫星通信可以获得10 GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。这就意味着用THz 技术建立卫星通信可以实现极高的带宽，同时由于传输速度快，兼具了高保密性。天基通信系统的主要应用场景，是在战场环境下建立的指挥作战的无线网络，不同作战单位，包括地面站、地面指挥中心与各个小组节点之间的一整套无线链路，通过电（光）缆与卫星建立链路连接，从而实现通信的目的[3]。

虽然目前的基础设施建设方面，全世界对能够进行高效的THz发射天线和发射源还有一些技术难题没有攻克，但是，随着这些问题的解决，满足这些条件的THz发射激光源和接受设备的研制成功，利用太赫兹波组建的军事通信系统一定会越来越隐蔽、越来越难以破坏[4]。

4 太赫兹通信技术应用的未来和展望

太赫兹通信的最终实现还有大量的关键性技术需要突破，但随着通信技术和太赫兹技术在各自领域内的不断突破，尤其是高频太赫兹器件产业的快速发展，太赫兹波将依托其频率带宽资源的优势，会逐步成熟。

未来，太赫兹应用的关键技术突破主要是以下几点：一是如何与其他形态的低频网络融合；二是如何应用于不同维度和不同尺度的通信场景；三是如何应用不同场景的太赫兹通信系统的部署方案。

未来，全球化发展对信息传输的要求会越来越高，各种通信网络的技术也会各式各样，但其最终都会归结到如何能够使用更大的带宽、更高的速率、更加多样化的通信能力。作为未来通信应用的重要手段之一，太赫兹具备以上所有特点，具备超宽的频率范围，具备超大的带宽，可满足未来通信对快速、有效、准确以及多元化应用的需求。随着太赫兹通信技术的逐步成熟，终将成为通信系统的重要组成部分。