太赫茲通信技術(shù)研究＊

趙鑫 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

賴俊森 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

太赫茲通信技術(shù)研究＊

趙鑫 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

賴俊森 中國(guó)信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所工程師

太赫茲通信技術(shù)的研究是具有良好應(yīng)用前景的熱門研究領(lǐng)域。本文分別從國(guó)際和國(guó)內(nèi)兩個(gè)方面對(duì)太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)于太赫茲通信技術(shù)的特點(diǎn)、應(yīng)用情況及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了探討。

太赫茲通信 太赫茲波 太赫茲

1 引言

隨著近20年來(lái)太赫茲通信相關(guān)技術(shù)的突破和快速發(fā)展，太赫茲通信已被各個(gè)國(guó)家和相關(guān)企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)作為重點(diǎn)研究領(lǐng)域。根據(jù)新興市場(chǎng)研究報(bào)告統(tǒng)計(jì)，全球太赫茲通信技術(shù)市場(chǎng)份額在2018年左右將增長(zhǎng)到5.21億美元，年增長(zhǎng)率約為37.2%。太赫茲技術(shù)被美國(guó)評(píng)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一（位列第四位），被日本列為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。我國(guó)也將太赫茲技術(shù)研究作為提高國(guó)家科技創(chuàng)新能力，促進(jìn)社會(huì)發(fā)展和國(guó)家安全的前瞻性戰(zhàn)略研究方向。

太赫茲（Terahertz，1THz＝1012Hz）泛指頻率在0.1～10THz波段（對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)為30～3000μm）范圍內(nèi)的電磁波，介于紅外和微波之間。太赫茲波的位置處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過(guò)渡階段。以往由于缺乏有效的太赫茲波產(chǎn)生和檢測(cè)的方法，因此對(duì)太赫茲波的研究較為有限，使其成為電磁波譜研究上的“太赫茲空隙”（TerahertzGap）。太赫茲波在電磁波頻譜中所處的位置如圖1所示。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

圖1 太赫茲波在電磁波頻譜中的位置圖

太赫茲通信技術(shù)的快速發(fā)展使得太赫茲通信越來(lái)越受到國(guó)際各國(guó)的關(guān)注和重視。我國(guó)政府在2005年底專門召開了香山科學(xué)會(huì)議，結(jié)合國(guó)內(nèi)太赫茲通信技術(shù)研究領(lǐng)域?qū)＜壹杏懻撐覈?guó)太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展和前景，制定太赫茲通信技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵領(lǐng)域和規(guī)劃。我國(guó)太赫茲通信技術(shù)研究受到政府和各研究機(jī)構(gòu)的廣泛重視。在各高校和研究機(jī)構(gòu)也先后成立了國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、研究所和研究中心，這主要包括中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所、首都師范大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院物理研究所、中國(guó)工程物理研究院等。

我國(guó)在太赫茲通信技術(shù)研究方面主要研究機(jī)構(gòu)的相關(guān)研究成果見表1。

相對(duì)于國(guó)內(nèi)的太赫茲技術(shù)的研究熱潮，國(guó)際各國(guó)也對(duì)太赫茲技術(shù)投入了巨大。美國(guó)早在2004年就將太赫茲通信作為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一，并已于2006年將太赫茲通信列為國(guó)防重點(diǎn)科學(xué)。美國(guó)從事太赫茲通信技術(shù)的研究工作的主要研究機(jī)構(gòu)包括：數(shù)十所大學(xué)及其國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，如國(guó)家航天局（NASA）、美國(guó)國(guó)家基金會(huì)（DSF）和國(guó)家衛(wèi)生學(xué)會(huì)（NIH）等，另外還有一些公司如BELL、IBM等也都在開展太赫茲通信技術(shù)的研究工作。

歐洲國(guó)家從事太赫茲通信技術(shù)研究的主要研究機(jī)構(gòu)包括：英國(guó)Rutherford國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、劍橋大學(xué)、里茲大學(xué)等十幾所大學(xué)，德國(guó)的KFZ、BESSY、Hamburg等大學(xué)。歐洲國(guó)家還利用歐盟的資金組織了跨國(guó)家的太赫茲通信技術(shù)大型合作研究項(xiàng)目。

在亞洲國(guó)家從事太赫茲通信技術(shù)研究的主要研究機(jī)構(gòu)包括：韓國(guó)國(guó)立漢城大學(xué)、浦項(xiàng)科技大學(xué)、國(guó)立新加坡大學(xué)、臺(tái)灣大學(xué)、臺(tái)灣清華大學(xué)等。日本在2005年就將太赫茲技術(shù)確立為國(guó)家支柱技術(shù)十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)之一。東京大學(xué)、京都大學(xué)、大阪大學(xué)以及SLLSC等公司都大力開展THz的研究與開發(fā)工作。

近年來(lái)，國(guó)際上太赫茲通信技術(shù)重要的研究成果參見表2。

3 太赫茲通信的技術(shù)特點(diǎn)

表1 國(guó)內(nèi)太赫茲通信技術(shù)相關(guān)研究成果

表2 國(guó)際上太赫茲通信技術(shù)研究成果

由于太赫茲波處在電磁波譜的特殊位置，使其具有很多獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)和性質(zhì)。從頻譜上看，太赫茲波在整個(gè)電磁波譜中處在微波與紅外波之間；從光學(xué)領(lǐng)域看，太赫茲波被稱為遠(yuǎn)紅外射線；從能量上看，太赫茲波段的能量介于電子和光子之間。太赫茲光波不僅擁有與光相同的直進(jìn)性，還具有與電波相似的穿透性和吸收性。太赫茲波的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）太赫茲波的穿透性強(qiáng)

由于太赫茲波自身包含豐富的光譜信息，且具有很好的光譜分辨特性，對(duì)很多介電材料與非極性液體具有良好的穿透性。因此，太赫茲波不僅可以作為探測(cè)材料性質(zhì)的檢測(cè)工具，還可以作為通信工具在煙霧、沙塵等惡劣環(huán)境下進(jìn)行通信工作。

（2）太赫茲波的光子能量較低

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，頻率為1THz的太赫茲波僅具有4.1meV的光子能量，約為X射線光子能量的百分之一量級(jí)，因此太赫茲波不易對(duì)生物組織產(chǎn)生傷害。相比于傳統(tǒng)使用DWDM等技術(shù)進(jìn)行有線光通信而言，太赫茲通信的能量效率更高。

（3）太赫茲通信傳輸?shù)娜萘看?/p>

相對(duì)于微波通信而言，由于太赫茲波的頻段在108～1013Hz之間，比微波通信高出l～4個(gè)數(shù)量級(jí)，使得太赫茲波的傳輸信息量更大。同時(shí)，太赫茲通信與高階的編碼調(diào)制技術(shù)相結(jié)合，可進(jìn)一步提升無(wú)線通信的傳輸容量，滿足大容量傳輸場(chǎng)景的通信要求。

（4）太赫茲波方向性好，保密程度高

由于太赫茲波束比微波更窄，且能夠有效地抑制背景輻射噪聲的影響，因此可以保證信息傳送精度的同時(shí)，使太赫茲通信滿足具有更好的保密性能。

（5）太赫茲通信更適合于短距離通信場(chǎng)景

由于強(qiáng)極性液體對(duì)太赫茲波有較強(qiáng)的吸收作用，因此太赫茲波在空氣中傳播時(shí)，水分子將對(duì)其造成傳送損耗，因此太赫茲通信更適合于短距離的通信。

4 太赫茲通信技術(shù)的應(yīng)用

隨著各國(guó)研究機(jī)構(gòu)對(duì)太赫茲技術(shù)的深入研究和突破，太赫茲波在空間通信、安全檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)和天文觀測(cè)等領(lǐng)域均具有重大的科學(xué)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用。

太赫茲波的主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：

（1）在空間通信方面

在空間通信方面，太赫茲波可以作為高速寬帶的通信載體。太赫茲波通信具有極高的方向性和穿透能力，因此適用于惡劣環(huán)境下的短距離保密通訊，也適用于高帶寬需求的衛(wèi)星通信領(lǐng)域。國(guó)際通訊聯(lián)盟已經(jīng)指定0.12和0.22THz兩個(gè)頻段分別用于下一代地面無(wú)線通信與衛(wèi)星間通信。

（2）在安全檢測(cè)方面

在安全檢測(cè)方面，太赫茲波對(duì)很多非極性物質(zhì)有很強(qiáng)的穿透能力，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)和高分辨率的成像。在軍事偵察、可疑危險(xiǎn)品、有毒有害物品檢測(cè)等方面提供技術(shù)保證。

（3）在生物醫(yī)學(xué)方面

在生物醫(yī)學(xué)方面，太赫茲波易被極性分子吸收，光子能量低。因此，太赫茲波可以在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域有眾多的應(yīng)用場(chǎng)景提供新型的醫(yī)療手段，如醫(yī)療樣品的人體燒傷程度檢測(cè)，生物傳感探針治療等。

（4）在天文觀測(cè)方面

在天文觀測(cè)方面，太赫茲波波段比其他波段具有更低的背景噪聲，同時(shí)借助強(qiáng)極性液體對(duì)太赫茲波有較強(qiáng)的吸收作用的特性，可以對(duì)宇宙中諸多物質(zhì)進(jìn)行探測(cè)。太赫茲波也被廣泛地應(yīng)用于恒星形成、星系演化以及宇宙學(xué)等方面的研究領(lǐng)域中。

5 太赫茲通信的發(fā)展趨勢(shì)

太赫茲技術(shù)經(jīng)過(guò)了多年的演進(jìn)和發(fā)展，已經(jīng)成為重要的通信方式和信號(hào)載體被大量研究和部分應(yīng)用。但是在太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲調(diào)制方式和太赫茲探測(cè)技術(shù)方面還不成熟，還有諸多的研究和提高空間。同時(shí)，如何克服大氣水分子對(duì)太赫茲波的強(qiáng)烈吸收作用等不利因素也是制約其發(fā)展的重要問(wèn)題。太赫茲通信的技術(shù)研究方向主要有以下幾個(gè)方面：

（1）高功率的太赫茲源

目前，太赫茲通信系統(tǒng)的太赫茲源輸出功率通常偏低。太赫茲源的功率高低直接決定了太赫茲通信系統(tǒng)的傳輸距離和信息傳送質(zhì)量。而且，在保證太赫茲源功率提高的同時(shí)，還必須考慮太赫茲源工作穩(wěn)定性、安全性等方面的要求。

（2）調(diào)制技術(shù)和調(diào)制器件的研究

太赫茲通信系統(tǒng)的理論研究相對(duì)較多，實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)較少，且傳輸性能不高。研究和采用適合太赫茲通信傳輸?shù)恼{(diào)制技術(shù)和調(diào)制器件，將大幅提高信號(hào)傳輸性能，使其應(yīng)用場(chǎng)景更為廣泛。

（3）優(yōu)化高靈敏的太赫茲探測(cè)技術(shù)

不同傳輸環(huán)境對(duì)太赫茲通信的探測(cè)技術(shù)存在不盡相同的影響，因此需進(jìn)一步研究采用合適、高效的電子處理技術(shù)，提高太赫茲探測(cè)技術(shù)的靈敏度，進(jìn)一步提高太赫茲通信系統(tǒng)的能力和優(yōu)勢(shì)。

6 結(jié)束語(yǔ)

太赫茲通信已成為各國(guó)研究的技術(shù)熱點(diǎn)和發(fā)展方向。太赫茲通信具有傳輸容量大、安全性高、穿透性好等優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)高速無(wú)線通信的重要發(fā)展方向。在空間通信、安全檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)和天文觀測(cè)等諸多方面，太赫茲通信技術(shù)也已表現(xiàn)出諸多優(yōu)質(zhì)特性，具有極大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。

1 宋琳.太赫茲空間通信可行性及需求分析.大連大學(xué)學(xué)報(bào). 2015,6

2 李偉.亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)可調(diào)諧太赫茲器件研究.南開大學(xué)博士論文.2014,5

Research onTerahertz CommunicationTechnology

The research of terahertz communication technology is a hot research field with good application prospect. In thispaper, the development status of terahertz communication technology is introduced from two aspects of international anddomestic. It discusses the characteristics and future development trend of terahertz communication technology.

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2015-09-20）

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No.61201260，No.61471128），國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（“863”計(jì)劃）基金項(xiàng)目（No.2013AA013402）資助