太赫茲波：藏在“間隙”中的寶藏

文 陳俊俊 胡書盛 徐梓淇

近日，中國航天科工二院25所在北京完成國內(nèi)首次太赫茲軌道角動量的實時無線傳輸通信實驗。研究人員利用高精度螺旋相位板天線在110GHz頻段實現(xiàn)4種不同波束模態(tài)，通過4模態(tài)合成在10GHz的傳輸帶寬上完成100Gbps無線實時傳輸，最大限度提升了帶寬利用率，為我國6G通信技術(shù)發(fā)展提供重要的保障和支撐。

從2G時代100kbps的通信峰值傳輸速率，到5G時代5Gbps甚至10Gbps的峰值理論傳輸速率，傳輸帶寬不僅是衡量通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的主要指標(biāo)，更是網(wǎng)絡(luò)代際演進的動力所在。6G時代，通信頻段被擴展到太赫茲頻段，這一頻段也是全球6G研究的熱點。

如今，6G正一步步從紙面走向現(xiàn)實。在中國發(fā)展高層論壇2023年年會上，專家透露，當(dāng)前還處在6G技術(shù)早期研究階段，預(yù)計6G將在2030年推進到大規(guī)模商用階段。伴隨著6G技術(shù)向我們走來，太赫茲技術(shù)也再次進入公眾視野。

作為新型頻譜技術(shù)，太赫茲通信可提供更大傳輸寬帶，滿足更高速率的傳輸需求。太赫茲技術(shù)正逐漸成為6G通信關(guān)鍵技術(shù)之一。

當(dāng)然，太赫茲技術(shù)的能量不止如此。一旦太赫茲技術(shù)成熟，將為天文學(xué)、生物醫(yī)學(xué)、通信雷達等多個重要領(lǐng)域帶來重大改變。

“蒙塵的寶藏”，缺失的空白

人類從認識電磁波后，就開始了利用電磁波改造世界的歷程。遠到衛(wèi)星通信技術(shù)，近到廚房中使用的微波爐，電磁波給人類的生產(chǎn)生活帶來了極大的便利。然而，在可見光和微波之間還存在著“間隙”，一段沒有被廣泛開發(fā)利用的波段——太赫茲波。

太赫茲波是指頻譜在0.1～10THz之間、波長為30～3000μm范圍內(nèi)的電磁波。太赫茲波的頻譜介于微波與紅外線之間，因此擁有二者都有的一些特性。

太赫茲波雖然很少在公眾視野中“拋頭露面”，但科學(xué)家對它的研究已有一個多世紀(jì)。早在100多年前，已經(jīng)有科學(xué)家對這一波段進行過先期的探索。然而直到20世紀(jì)七八十年代，太赫茲波才有了自己的名字。在此之前，在光學(xué)領(lǐng)域，它被稱為遠紅外線；在電子學(xué)領(lǐng)域，稱之為亞毫米波或是超微波等。

天文學(xué)家最早關(guān)注到了這一“蒙塵的寶藏”。20世紀(jì)70年代，空間科學(xué)家將其運用到陸基射電望遠鏡上，來研究星際介質(zhì)和行星大氣的化學(xué)成分等。那時候，人們建造了大量觀測設(shè)備，推動了射電天文學(xué)和空間科學(xué)的發(fā)展。然而，由于地球大氣對太赫茲波大多數(shù)頻率波段的吸收率非常高，科學(xué)家只能通過高海拔天文臺和浮空氣球利用極少數(shù)可用“窗口”開展研究?？梢哉f，當(dāng)時用來遙望星辰大海的太赫茲技術(shù)，自身也是被遙望的“星辰大?！?。

當(dāng)時，太赫茲技術(shù)已經(jīng)在一些領(lǐng)域得到了應(yīng)用。但如果說紅外線和微波技術(shù)已達到“凌波微步”的程度，那么太赫茲技術(shù)還在“蹣跚學(xué)步”。不僅因為地球大氣對太赫茲波大多數(shù)頻率波段的高吸收率，還因技術(shù)壁壘導(dǎo)致難以找到合適的太赫茲源。此外，有些太赫茲源的輸出功率有限；有些太赫茲源則受限于尺寸、復(fù)雜性或成本而不能大規(guī)模生產(chǎn)……于是，所謂的“太赫茲間隙”“太赫茲空白”便由此產(chǎn)生。

太赫茲波憑借著其獨特的瞬態(tài)性、高穿透性、寬帶性、相干性和低能性等特點，展現(xiàn)出極為廣闊的應(yīng)用前景。超快光電子技術(shù)和低尺度半導(dǎo)體技術(shù)，也為太赫茲波段提供了適合的光源和探測手段，推動了太赫茲技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。2004年，美國將太赫茲技術(shù)評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之一；2005年，日本將其列為“國家支柱十大重點戰(zhàn)略目標(biāo)”之首；2005年，我國也在香山科學(xué)會議中，制定了太赫茲技術(shù)發(fā)展規(guī)劃……伴隨著太赫茲技術(shù)的飛速發(fā)展，蒙在寶藏上的“灰塵”，被一點點拭去，寶藏開始散發(fā)出耀眼的光芒。

前景廣闊的“萬能”電磁波

隨著太赫茲技術(shù)的不斷發(fā)展，這個曾經(jīng)存在于微波和可見光之間的“間隙”“空白”逐漸被照亮。攻克了一個又一個技術(shù)壁壘后，太赫茲科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域研究團隊數(shù)量也隨之大量增加。研究人員努力開發(fā)更多新的技術(shù)和儀器來探索太赫茲頻段，或者利用太赫茲儀器進行各種有意義的研究。

太赫茲波可謂前景廣闊的“萬能”電磁波，具有許多無可比擬的優(yōu)勢。與微波相比，太赫茲波具有更高的空間分辨率；與紫外線和X射線相比，太赫茲波是非電離的，更加安全。

近年來，世界各國都十分重視太赫茲波在安檢和反恐領(lǐng)域的運用。2016年G20峰會上，中國首次投入使用了太赫茲安檢設(shè)備。太赫茲波具有全覆蓋的特點，且對金屬和特定化學(xué)物質(zhì)表現(xiàn)出不同強度的輻射特征，可謂“天生的反恐專家”。除了常規(guī)的違禁品，太赫茲波還能識別出陶瓷刀具、3D打印槍支等新型武器。

此外，生物分子和水分子在太赫茲波段有特征吸收，利用太赫茲波技術(shù)可對生物樣品進行成像檢測，這使得太赫茲波在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。比如用于癌癥診斷、篩查齲齒等。

太赫茲波更是廣泛應(yīng)用于大氣遙感和空間天文探測。太赫茲氣象衛(wèi)星觀測系統(tǒng)，提供了更為精準(zhǔn)、更為多樣化的氣象數(shù)據(jù)預(yù)報。截至2019年，已有9個現(xiàn)有或計劃中的衛(wèi)星地球探測業(yè)務(wù)傳感器用于執(zhí)行全球測量，探測地球大氣、陸地和海洋成分所吸收和發(fā)射的自然電磁能量。

太赫茲頻段也是射電天文領(lǐng)域極為重要的觀測頻段。截至2019年，全世界已有13個不同的射電天文站點使用太赫茲頻段用于天文觀測。這些正在運行的射電天文系統(tǒng)包括單口徑望遠鏡、干涉儀和氣球平臺等。

當(dāng)前，人們最為關(guān)注的就是太赫茲通信技術(shù)，由于太赫茲占據(jù)了300GHz～3THz頻段的超寬頻譜，支持超大速率的無線通信，具有傳輸容量大、安全性高、穿透性好等優(yōu)勢。因此其在全息通信、微小尺寸通信、超大容量數(shù)據(jù)回傳、短距超高速傳輸?shù)葓鼍爸杏型玫綉?yīng)用。如今，太赫茲技術(shù)已逐漸成為新一代無線通信產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向，被認為是未來6G的重要技術(shù)備選方案。

近期，我國紫金山實驗室采用太赫茲光纖一體融合的全新傳輸架構(gòu)，速率較5G提升10至20倍；采用新型的光子輔助太赫茲技術(shù)路線，借助于商業(yè)成熟的數(shù)字相干光模塊，打破電子器件的瓶頸，解決了傳統(tǒng)太赫茲無線通信信號實時處理難題；發(fā)明融合了光纖通信的高帶寬大容量和太赫茲無線通信的便攜靈活接入雙重優(yōu)勢，可顯著降低6G研發(fā)門檻，大大加速太赫茲技術(shù)商用化進程。

打破傳統(tǒng)作戰(zhàn)模式的“透視眼”和“通信員”

太赫茲在軍事上的應(yīng)用前景也不容小覷，美國、俄羅斯、日本、歐洲各國等紛紛投入巨資，力求在太赫茲研究上占據(jù)領(lǐng)先賽道。其因具有輻射小、透射性好、通信傳輸容量大等突出特點，在軍事通信、戰(zhàn)場偵察、精確制導(dǎo)、反隱身和電磁對抗等領(lǐng)域持續(xù)掀起熱潮。

太赫茲波將會成為部隊的“透視眼”。太赫茲成像系統(tǒng)可檢測自然界的太赫茲輻射，不僅可以穿透墻體對房屋內(nèi)部進行掃描，在復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下，還能借助太赫茲對“墻后”物體進行三維立體成像，探測掃描隱蔽偽裝的武裝人員。未來利用太赫茲波照射路面，甚至可以遠距離探測地下的掩體、工事甚至是雷場。目前，美國、德國、以色列等國家，都投入了大量的資金研發(fā)用于軍事預(yù)警偵察的太赫茲檢測裝置和成像裝置。德國應(yīng)用科學(xué)研究所研制的太赫茲ISAR成像雷達，可探測近距離隱藏的目標(biāo)，在探測距離為500m、工作頻率為0.22THz條件下，成像分辨率可達1.8cm。

使用太赫茲波的雷達，還能讓現(xiàn)有的“隱形戰(zhàn)機”無處遁形。通常所說的隱身技術(shù)，主要是靠形狀、吸波涂層來吸收或改變雷達波的傳播方向來實現(xiàn)的。常規(guī)的雷達在探測雷達截面很小的隱身戰(zhàn)機時往往顯得“力不從心”。而處于電磁頻譜過渡區(qū)域的太赫茲，則可以用于探測更小的目標(biāo)和進行更精確的定位，并且“跳出”隱形戰(zhàn)機所針對的傳統(tǒng)頻段，實現(xiàn)“降維打擊”。一旦太赫茲雷達技術(shù)成熟并應(yīng)用在軍事領(lǐng)域，隱形戰(zhàn)機最引以為傲的技術(shù)優(yōu)勢將不復(fù)存在。

在通信方面，太赫茲波會是最可靠的“通信員”。太赫茲波的頻段可以承載更大的信息量，輕松解決目前戰(zhàn)場信息傳輸受制于帶寬的問題，滿足大數(shù)據(jù)的通信要求。太赫茲波束窄，具有極高的方向性、較強抗干擾性和云霧及偽裝物穿透能力，可以在沙塵及濃煙等復(fù)雜戰(zhàn)場環(huán)境下以極高的帶寬進行軍事通信。

一個屬于太赫茲的時代，正在加速向我們走來。目前，大功率太赫茲波輻射源和高靈敏度探測技術(shù)等相關(guān)研究都取得了突破性進展，更多太赫茲技術(shù)研究方興未艾?？梢哉f，誰先掌握了這一能夠有效破解“戰(zhàn)場迷霧”的技術(shù)，誰就將占據(jù)未來軍事制高點。