太赫茲通信技術研究＊

趙鑫 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

賴俊森 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

太赫茲通信技術研究＊

趙鑫 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

賴俊森 中國信息通信研究院技術與標準研究所工程師

太赫茲通信技術的研究是具有良好應用前景的熱門研究領域。本文分別從國際和國內兩個方面對太赫茲通信技術的發展現狀進行了介紹，同時對于太赫茲通信技術的特點、應用情況及未來的發展趨勢進行了探討。

太赫茲通信 太赫茲波 太赫茲

1 引言

隨著近20年來太赫茲通信相關技術的突破和快速發展，太赫茲通信已被各個國家和相關企業、研究機構作為重點研究領域。根據新興市場研究報告統計，全球太赫茲通信技術市場份額在2018年左右將增長到5.21億美元，年增長率約為37.2%。太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術”之一（位列第四位），被日本列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首。我國也將太赫茲技術研究作為提高國家科技創新能力，促進社會發展和國家安全的前瞻性戰略研究方向。

太赫茲（Terahertz，1THz＝1012Hz）泛指頻率在0.1～10THz波段（對應波長為30～3000μm）范圍內的電磁波，介于紅外和微波之間。太赫茲波的位置處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。以往由于缺乏有效的太赫茲波產生和檢測的方法，因此對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 國內外研究現狀

圖1 太赫茲波在電磁波頻譜中的位置圖

太赫茲通信技術的快速發展使得太赫茲通信越來越受到國際各國的關注和重視。我國政府在2005年底專門召開了香山科學會議，結合國內太赫茲通信技術研究領域專家集中討論我國太赫茲通信技術的發展和前景，制定太赫茲通信技術的發展關鍵領域和規劃。我國太赫茲通信技術研究受到政府和各研究機構的廣泛重視。在各高校和研究機構也先后成立了國家重點實驗室、研究所和研究中心，這主要包括中國科學院上海微系統所、首都師范大學、中國科學院物理研究所、中國工程物理研究院等。

我國在太赫茲通信技術研究方面主要研究機構的相關研究成果見表1。

相對于國內的太赫茲技術的研究熱潮，國際各國也對太赫茲技術投入了巨大。美國早在2004年就將太赫茲通信作為“改變未來世界的十大技術”之一，并已于2006年將太赫茲通信列為國防重點科學。美國從事太赫茲通信技術的研究工作的主要研究機構包括：數十所大學及其國家實驗室，如國家航天局（NASA）、美國國家基金會（DSF）和國家衛生學會（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的研究工作。

歐洲國家從事太赫茲通信技術研究的主要研究機構包括：英國Rutherford國家實驗室、劍橋大學、里茲大學等十幾所大學，德國的KFZ、BESSY、Hamburg等大學。歐洲國家還利用歐盟的資金組織了跨國家的太赫茲通信技術大型合作研究項目。

在亞洲國家從事太赫茲通信技術研究的主要研究機構包括：韓國國立漢城大學、浦項科技大學、國立新加坡大學、臺灣大學、臺灣清華大學等。日本在2005年就將太赫茲技術確立為國家支柱技術十大重點戰略目標之一。東京大學、京都大學、大阪大學以及SLLSC等公司都大力開展THz的研究與開發工作。

近年來，國際上太赫茲通信技術重要的研究成果參見表2。

3 太赫茲通信的技術特點

表1 國內太赫茲通信技術相關研究成果

表2 國際上太赫茲通信技術研究成果

由于太赫茲波處在電磁波譜的特殊位置，使其具有很多獨特的技術特點和性質。從頻譜上看，太赫茲波在整個電磁波譜中處在微波與紅外波之間；從光學領域看，太赫茲波被稱為遠紅外射線；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特點如下：

（1）太赫茲波的穿透性強

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材料性質的檢測工具，還可以作為通信工具在煙霧、沙塵等惡劣環境下進行通信工作。

（2）太赫茲波的光子能量較低

根據測量結果，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，因此太赫茲波不易對生物組織產生傷害。相比于傳統使用DWDM等技術進行有線光通信而言，太赫茲通信的能量效率更高。

（3）太赫茲通信傳輸的容量大

相對于微波通信而言，由于太赫茲波的頻段在108～1013Hz之間，比微波通信高出l～4個數量級，使得太赫茲波的傳輸信息量更大。同時，太赫茲通信與高階的編碼調制技術相結合，可進一步提升無線通信的傳輸容量，滿足大容量傳輸場景的通信要求。

（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，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景

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

4 太赫茲通信技術的應用

隨著各國研究機構對太赫茲技術的深入研究和突破，太赫茲波在空間通信、安全檢測、生物醫學和天文觀測等領域均具有重大的科學價值和廣闊的應用。

太赫茲波的主要應用領域如下：

（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，因此適用于惡劣環境下的短距離保密通訊，也適用于高帶寬需求的衛星通信領域。國際通訊聯盟已經指定0.12和0.22THz兩個頻段分別用于下一代地面無線通信與衛星間通信。

（2）在安全檢測方面

在安全檢測方面，太赫茲波對很多非極性物質有很強的穿透能力，可以進行遠距離探測和高分辨率的成像。在軍事偵察、可疑危險品、有毒有害物品檢測等方面提供技術保證。

（3）在生物醫學方面

在生物醫學方面，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學領域有眾多的應用場景提供新型的醫療手段，如醫療樣品的人體燒傷程度檢測，生物傳感探針治療等。

（4）在天文觀測方面

在天文觀測方面，太赫茲波波段比其他波段具有更低的背景噪聲，同時借助強極性液體對太赫茲波有較強的吸收作用的特性，可以對宇宙中諸多物質進行探測。太赫茲波也被廣泛地應用于恒星形成、星系演化以及宇宙學等方面的研究領域中。

5 太赫茲通信的發展趨勢

太赫茲技術經過了多年的演進和發展，已經成為重要的通信方式和信號載體被大量研究和部分應用。但是在太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲調制方式和太赫茲探測技術方面還不成熟，還有諸多的研究和提高空間。同時，如何克服大氣水分子對太赫茲波的強烈吸收作用等不利因素也是制約其發展的重要問題。太赫茲通信的技術研究方向主要有以下幾個方面：

（1）高功率的太赫茲源

目前，太赫茲通信系統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的傳輸距離和信息傳送質量。而且，在保證太赫茲源功率提高的同時，還必須考慮太赫茲源工作穩定性、安全性等方面的要求。

（2）調制技術和調制器件的研究

太赫茲通信系統的理論研究相對較多，實際應用的系統較少，且傳輸性能不高。研究和采用適合太赫茲通信傳輸的調制技術和調制器件，將大幅提高信號傳輸性能，使其應用場景更為廣泛。

（3）優化高靈敏的太赫茲探測技術

不同傳輸環境對太赫茲通信的探測技術存在不盡相同的影響，因此需進一步研究采用合適、高效的電子處理技術，提高太赫茲探測技術的靈敏度，進一步提高太赫茲通信系統的能力和優勢。

6 結束語

太赫茲通信已成為各國研究的技術熱點和發展方向。太赫茲通信具有傳輸容量大、安全性高、穿透性好等優勢，是未來高速無線通信的重要發展方向。在空間通信、安全檢測、生物醫學和天文觀測等諸多方面，太赫茲通信技術也已表現出諸多優質特性，具有極大的發展潛力和應用前景。

1 宋琳.太赫茲空間通信可行性及需求分析.大連大學學報. 2015,6

2 李偉.亞波長結構可調諧太赫茲器件研究.南開大學博士論文.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）

國家自然科學基金項目（No.61201260，No.61471128），國家高技術研究發展計劃（“863”計劃）基金項目（No.2013AA013402）資助