太赫兹波通信技术研究现状及展望

李纪舟，蒋文涛

(1.解放军91746部队，北京102206;2.解放军91635部队 北京102249)

0 引言

太赫兹波作为一个介于微波与光波之间的全新频段尚未被完全开发［1］，具有传输速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等特点，适合开展宽带无线通信及空间通信。2004年，太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之四，2005年，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。太赫兹波通信技术将是下一代通信技术的基础，具有广阔的应用前景，已成为世界各国发展研究的热点。

1 太赫兹波通信技术

1.1 太赫兹波的特性

太赫兹波是指频谱在0.1～10 THz(1THz=1012Hz)之间的电磁波，波长为30至3000微米，频谱介于微波与远红外光之间，在低波段，它与毫米波重合，在高波段，它与红外光重合，如图1所示，位于宏观电子学与微观光子学的过渡区域。

图1 太赫兹波在频谱中的位置示意Fig.1 Location of the terahertz waves in the spectrum

太赫兹波具有以下特征［1－2］:①带宽宽:太赫兹波的脉冲源包括若干个周期的电磁振荡，单个脉冲的频率范围覆盖GHz～THz;②瞬态性:太赫兹波脉冲宽度是皮秒量级的，具有非常高的时间分辨率，方便瞬态光谱研究，能有效抑制背影辐射噪声;③相干性:太赫兹波的产生方式有两种:一是由相干电流驱动的偶极子振荡产生，二是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频变换产生，都具有相干性;④低能性:太赫兹波的光子能量较低，只有10－3eV，相当于X射线光子能量的1%，不易破坏被检测的物质;⑤穿透性:太赫兹波能以较小的衰减穿透物质，能对不透明物体进行透视成像。

1.2 太赫兹波通信及特点

太赫兹波通信是指用太赫兹波作为信息载体进行的通信，集成了微波通信与光通信的特点［3］:

1)容量大。太赫兹波频谱在108～1013Hz之间，大约是长波、中波、短波、微波(30 GHz)总带宽的1 000倍，能提供超过l0 Gb/s的通信速率，是超宽带通信技术的几百甚至上千倍。

2)方向性强。太赫兹波的波束窄，具有极高的方向性，能穿透云雾及伪装物，可在大风、沙尘以及浓烟等恶劣的环境下以极高的带宽进行定向通信。目前国际电联己决定将0.12 THz和0.2 THz划归无线通信使用，可能以后还会向太赫兹中段发展。

3)保密性好。太赫兹在空气中传播时很容易被水分所吸收，信号衰减严重，传输距离较短，不适合地面远程通信，也使得探测通信信号非常难，通信保密性能好，因此适合地面短程安全通信。特别是战场通信，可实现隐蔽的近距离通信，使敌人无法在通信中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号。美国正在利用太赫兹传输距离相对较短、不易被截获的优势，研制通信距离在5千米左右的近距离战术通信系统。

4)性价比好。太赫兹波的波长比较短，收发天线的尺寸小，通信系统结构简单、可靠，并且经济，还可减轻相互通信之间的干扰。

5)效率高。相对于光通信而言，太赫兹波的光子能量低，大约是10－3eV，只有可见光的1/40，用它作为信息载体，可以获得极高的能量效率。

1.3 太赫兹波通信系统组成架构

目前研究中的太赫兹波通信系统结构有三种典型的发射子系统和两种接收子系统［2－3］:

1)全电子器件发射子系统如图2所示，该系统是基于电子器件的系统，由RF电信号发生器、电调制器和前置放大器组成。太赫兹波信号一般由多倍放大耿氏振荡器产生，或由30～100 GHz的微波/毫米波发生器合成。

图2 全电子器件系统Fig.2 Full electronics system

2)光电子器件发射子系统如图3所示，该子系统利用光电子器件实现太赫兹信号的产生和调制，两个红外激光器产生两束光信号，通过光学外差法，利用单行载流子光电二极管(UTC－PD)转换为太赫兹波信号。该结构系统一般工作在1 THz以下，基于1.55 μm远距离通信平台。

图3 光电子器件系统Fig.3 Optoelectronic devices Systems

3)太赫兹激光器系统如图4所示，这是一个基于半导体激光器的系统，如量子级联激光器(QCL)，可以产生1 THz以上的太赫兹信号。通过外调制器，QCL可实现调制频率在10 GHz以上的直接调制［4］。

图4 太赫兹激光器系统Fig.4 Terahertz laser system

太赫兹波通信两类接收子系统是直接探测系统和相干探测系统，都是利用量子阱探测器或电子器件等光电子器件构建系统的。

4)直接探测系统如图5所示，该系统结构简单，主要用于1～10 THz信号接收。

图5 直接探测系统Fig.5 Direct detection system

5)相干探测系统如图6所示，该系统结复杂，灵敏度高，可以探测频率调制和相位调制的微弱太赫兹信号。

图6 相干探测系统Fig.6 Coherent detection system

1.4 太赫兹波通信系统关键技术

目前，正在研究中的太赫兹波通信关键技术主要包括［4－5］:

1)关键器件技术。主要包括:常温下可连续辐射的大功率、小体积太赫兹波辐射源;常温下高灵敏度太赫兹波检测器件和技术;太赫兹波传输器件如传输波导、谐振系统等。其中，高效太赫兹辐射源技术是当前最基本、最关键和最急迫的技术。

2)高速率信号调制技术。太赫兹频段非常宽，适合高速率的信号传输，速率可达10 Gb/s以上，超过了电调制方式，传统的无线通信电调制技术已不适用，必须针对太赫兹波通信和网络中的调制编码、网络协议等关键技术进行研究。

3)太赫兹波信号放大技术。太赫兹波的辐射功率低，无法满足通信的正常要求，因此，要依据所选定的太赫兹波通信频段，解决信号放大技术问题。

4)信号检测处理技术。主要是指太赫兹波信号光电子检测技术及其转换成电信号后的高速信号处理技术。

5)天线收发技术。太赫兹波辐射的功率比较低，为了保证通信质量，天线总体结构要紧凑、轻巧、稳定可靠。高增益的太赫兹天线辐射技术是需要解决的关键技术之一。

6)宽带大容量信息处理技术。太赫兹波通信可传输极高容量的信息，为更好地利用太赫兹频段的传输容量，太赫兹宽带大容量信息处理技术也是需要研究的关键技术。

7)太赫兹波的捕获、跟踪和瞄准(APT)技术。太赫兹波在低频段的波束发散角较大，接收端捕获波束较容易。但在高频段，靠近光波段，波束比较窄，如果不用APT系统，接收到的太赫兹波信号会产生较大误差，无法正常通信。因此，APT技术也是太赫兹波通信技术必须考虑的关键技术。

8)太赫兹波通信系统总体技术。由于太赫兹波处于光学理论和电子学理论的交叉地带，其通信技术体制应有别于现有通信技术体制，需要开展相关研究。

2 太赫兹波通信技术研究现状

目前太赫兹波通信技术的研究主要集中在:太赫兹波辐射源技术、太赫兹波信号调制技术、太赫兹波信号探测技术、天线技术、太赫兹波通信系统总体技术等［6］。

2.1 太赫兹波辐射源技术

2.1.1 半导体太赫兹波辐射源

半导体太赫兹波辐射源一般体积小、可调谐、使用方便。较为常见的有Impatt、Gun振荡器、共振隧道二极管(RTD)及量子级联激光器(QCL)等。其中，QCL以异结构半导体(GaAs/AIGaAs)的导带中的次能级间的跃迁为基础，利用纵向光学声子的谐振产生粒子数反转的一种激光器，是正在研究的重点器件。1994年，Federico Capasso等人率先发明QCL。2000年，中国率先研制出5至8微米波段半导体 QCL。2002年，意大利和英国研制出了4.4 THz、2 mW(温度 8 K)的 QCL。此后，逐渐降低频率，提升了脉冲的功率。2004年，美国研制的QCL达到了2.1 THz、连续波功率1 mW(温度 93 K)、脉冲功率20 mW。2005年，美国研制出137 K、200 mW的QCL。2007年，哈佛研发出170 K、3 THz的QCL。2009年，Kumar等人研制出基于对角跃迁的186 K、3.9 THz的 QCL，峰值功率达5 mw。2010年8月，美国和英国利用一种“超材料”研制成功新型太赫兹半导体激光器，使光波准直性能与传统太赫兹光源相比显著改善。中国科学院在“十五”期间研制了激射频率为3.2 THz的QCL。2014年2月17日，英国利兹大学开发出了世界上功率最大的太赫兹激光器芯片――QCL，输出功率超过了1 W，比2013年维也纳团队的记录高出一倍以上［7］。共振隧道二极管(RTD)是通过量子共振隧穿效应工作的纳米器件，也是目前正在研究的关键器件之一。2013年12月16日，日本开发出了可在室温下工作、基本振荡频率为1.42 THz的共振隧道二极管。

2.1.2 光学和光子学太赫兹辐射源

该类辐射源主要是通过超短激光脉冲、红外光泵浦、非线性差频及参量过程等几种方式产生的。其中，利用超短激光脉冲产生辐射波是当前研究的重点，主要有两种方式:①利用瞬时光电导。即在光电导的表面淀积金属，制成偶极天线电极，再利用飞秒激光照射电极之间的光电导半导体材料，会瞬时在表面产生大量电子空穴对，形成光电流，进而产生太赫兹辐射;②利用光整流。即利用电光晶体作为非线性介质，使超快激光脉冲进行二阶非线性光学过程或者高阶非线性光学过程来产生太赫兹电磁脉冲。目前已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线性光学晶体的太赫兹激光源。如太赫兹光导天线、非线性差频、光整流、太赫兹参量振荡器和光学Cherenkov辐射和放大器(TPG，TPO，TPA)等等。

2.1.3 真空电子学太赫兹波辐射源

真空电子学太赫兹波辐射源主要包括:相对论电子器件、太赫兹纳米速调管、太赫兹回旋管、太赫兹返波振荡器(BWO)、扩展互作用振荡器(EIO)以及单行载流子光电二极管(UTC－PD)。

1)相对论电子器件。主要包括:自由电子激光器(FEL)、等离子体尾场契伦科夫辐射和储存环太赫兹辐射源。其中，FEL的频谱连续可调、范围广、峰值功率及平均功率较大、相干性好。2012年1月，美国利用lMeV静电加速器的FEL，在2 mm到500微米，0.15～6 THz，产生l kW的准连续波。储存环太赫兹辐射源，可产生0.03～30 THz的太赫兹波，亮度超过现有辐射源9个数量级。

2)太赫兹波纳米速调管。该器件将微电子加工技术、纳米技术和真空电子器件技术融合在一起，能产生毫瓦级的输出功率，电压低，不需要磁场，具有低色散、长工作寿命等特点。目前，美国研制出频率为0.3 ～3.0 THz，当工作电压为500 V时，连续波输出功率可高达50 mW的纳米速调管

3)太赫兹回旋管。回旋管是快波器件，能在很高的频率下产生高脉冲功率，可达到千瓦级，平均功率也较高。美国海军研制出具有超高磁场(16.6T)的太赫兹回旋管振荡器，工作频率为500～1 000 GHz，输出功率数百瓦。日本Fukui大学研制出了0.889 THz，输出功率达数万瓦的太赫兹回旋管。俄罗斯正在研制1 THz的回旋管，脉宽100 μs，脉冲磁场40 T，电流5 A，电压30 kV，输出功率可达10 kW。我国成都电子科技大学分别于2008年和2009年在国内首次成功研制了0.22 THz脉冲功率大于2 kW的一次谐波和0.42 THz脉冲功率千瓦级二次谐波THz回旋管。

4)太赫兹返波振荡器(BWO)。BWO是一种经典电真空微波源慢波器件。俄罗斯研制的BWO可以产生180～1 110 GHz、输出功率3～50 mW的电磁辐射。美国NASA正在开发工作频率300 GHz～1.5 THz的 BWO。

5)扩展互作用振荡器(EIO)。CPI公司于2007年研制出220 GHz的 EIO，电压1 kV，电流105 A，平均功率6 W，具有2%的机械调谐，重量不超过3 kg。德国FGAN公司研制出了220 GHz、脉冲功率35 W、占空比0.005%的 EIO。

6)单行载流子光电二极管(UTC－PD)。2004年，研制成功以单行电子作为活性载流子的新型光电二极管，具有高速度和高饱和输出特性，输出功率为2.6 μW，频率1.04 THz，适合在10 Gb/s的 THz 无线通信中应用。

2.1.4 太赫兹波发射子系统的其他技术

1)太赫兹波真空放大器。2013年12月，美国国防部高级研究计划局使用微型真空集热管，设计并演示了一个0.85 THz的功率放大器，这是世界上第一个微型真空管。

2)太赫兹波带通滤波器。2009年9月，Utah大学利用表面等离极化激元(plasmonpolariton)技术，研制出全球首款带通滤波器，中央频率为每秒1万亿周期。

3)石墨烯天线技术。2013年3月，佐治亚理工学院提出研制石墨烯天线构想，希望在一年内制造出模型，实现短距离内无线数据传输速度达到兆兆位/秒。石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料，呈蜂窝状点阵结构，是目前已知导电性能最出色的材料，导电速度比硅快50至500倍。由石墨烯材料制制成的天线，能够以THz频率工作，远超目前常规的MHz、GHz天线。

2.2 太赫兹波信号调制技术

2003年，Kersting等人利用 AIGaAs/GaAs量子阱实现低温环境下的太赫兹波信号的相位调制;2005年Liu等人通过低温生长的GaAs制成偶极子天线制成中心频率在 0.3 ～0.4 THz、100 cm、系统带宽20 kHz的调制解调器。2006年Chen等人利用周期结构的人工复合媒质，实现电压幅度调制，幅度调制率达到50%。2009年，H.T.Chen等提出了线性电控超材料相位调制器，外加16 V偏压时，在0.81 THz频点处，材料透射系数由无外加偏压时的0.56下降到 0.25，透射振幅下降了 50%，在0.89 THz频点处，可实现 π/6的相移。2012年11月，诺特丹大学研发了用石墨烯设计的宽带太赫兹波调制器，可以在很大的频率范围内调制太赫兹波，处理能力是之前的太赫兹宽带调制器的两倍多。目前，美国正尝试利用电磁波代替电流信号制造新型太赫兹波信号调制器，期望传输速率达到每秒万亿字节，比目前的电流调制系统快100倍。

2.3 太赫兹波信号探测技术

2.3.1 传统探测技术

基于传统手段的探测技术主要有超导混频技术(SIS)、热电子测热电阻(HEB)混频技术和肖特基势垒二极管(SBD)技术。SIS探测频率约为0.1～1.2 THz，需在液氦温度下工作。HEB主要用于探测1 THz以上的辐射信号，最高探测频率达5 THz，噪声温度约为量子极限的10倍。目前，SBD技术运用的比较广泛，可用在4～300 K温度内的直接式探测器，也可用作外差式接收单元混频器的非线性元件。2012年11月，中国研制出截止频率达到3.37 THz的太赫兹肖特基二极管。

2.3.2 时域光谱探测技术

目前研究的时域光谱探测技术主要包括［7］:①光电导相干探测技术，使用光电导半导体天线进行接收，利用探测光在半导体上产生的光电流与太赫兹驱动电场成正比的特性，测量太赫兹波的瞬间电场;②电光探测技术;即将钛宝石激光器提供的飞秒脉宽激光脉冲分成两束，一束较强的激光束通过延迟成为泵浦光，激发发射器产生电磁波，另一束激光束作为探测光与太赫兹波脉冲汇合后同步通过电光晶体，把太赫兹波在电光晶体上引起的折射率变化转变成探测光强的变化，再用平衡二极管接收并输入锁相放大器，然后再经计算机进行处理和显示。

2.3.3 啁啾脉冲光谱仪探测技术

该技术产生自传统的太赫兹互相关探测技术，克服了互相关技术中测量速度较慢的缺点，时间分辨率与信噪比较高［8］。但是，由于该技术中的光谱仪引入了傅立叶变换，在时间分辨率上有限制，使太赫兹时间波形发生了畸变。

2.3.4 量子阱探测器(QWP)

QWP是应用在太赫兹波段的一种新型量子阱红外光电探测器，是基于带内光致激发，将导带阱内的束缚态电子激发到连续态。它一般采用GaAs/AIGaAs材料，具有较强的光谱分辨率，是一种窄带探测器。

2.4 太赫兹波通信系统技术

2007年，日本研制出0.12 THz、调制为 ASK、11.1 Gb/s的全固态太赫兹波通信系统，实现了远距离(＞800 m)同时传输6路未压缩高清电视信号的能力，己成功应用于2008年的北京奥运会。2008年，德国研制出传输距离22 m、300 GHz的太赫兹波通信系统。2009年，加拿大完成了基于 QCL和QWP的全光学通信链路演示实验，通信频点为3.8 THz。2010年，德国研制了300 GHz信道测量系统，实现了96 Mb/s的DVB－S2数字信号的传输，传输距离达到了52 m。2010年，中国利用QCL作为发射源，光导型QWP作为探测器，实现了太赫兹无线音频信号的传输，系统带宽580 kHz左右，频率4.1 THz，传输距离达2 m。2010 年，中国研制了0.14 THz、16 QAM、10 Gb/s的太赫兹波通信系统，完成了0.5 km无线传输实验(软件解调)，突破2 Gb/s实时解调、均衡与译码技术，调试成功2 Gb/s 16 QAM的实时解调样机。2011年完成了0.14 THz、1.5 km的2 Gb/s无线传输实时解调实验和10 Gb/s的软件解调实验。2011年11月，罗姆和大阪大学将共振隧道二极管(RTD)作为振荡元件和检测元件，在室温下实现300 GHz、1.5 Gb/s的无线通信系统。2012年，他们又搭建了2.4 m通信链路，最大传输速率可达5 Mb/s，系统延时为220 ns。2012年，中国研制出了国内首部基于光电结合的0.1 THz全固态高速无线通信系统，传输速率可达11 Gb/s。2013年，中国完成了3.9 THz波的实时视频通信演示。2013年5月，德国研制出在240 GHz频率下，以40 Gb/s传播超过1公里的太赫兹波通信试验系统。同年10月，又创建了一个工作在237.5 GHz频率的无线通信系统，创下了100 Gb/s的无线数据传输速率记录。

3 太赫兹波通信技术应用展望

太赫兹波以其独有的特性，使太赫兹波通信比微波和光通信拥有许多优势，决定了太赫兹波在高速短距离无线通信、光纤载太赫兹波通信系统(TOF)、宽带无线安全接入、宽带通信和高速信息网、空间通信、军事保密通信等方面均有广阔的应用前景［1，9］。

1)高速短距离无线通信。太赫兹波在空中传播时极易被空气中的水分吸收，因此，比较适合于短距离通信;辐射方向性好，可用于战场中的短距离定向保密通讯;频率高，波长相对更短，天线的尺寸可以更小，波束更窄、方向性更好，具有更强的抗干扰能力，可实现2～5 km内的保密通信。

2)光纤载太赫兹波通信系统(TOF)。太赫兹波在空气传播时，容易被水蒸气强吸收，进行长距离传输时具有很大的损耗。并且，电磁辐射对人体安全的影响比较大。因此，实现了太赫兹波和光线之间转换的光纤波导太赫兹波通信系统是未来应用场景之一。

3)宽带无线安全接入。随着通信业务的丰富，人们对室内宽带无线通信寄托较高的期望。但目前无压缩多媒体业务的带宽已经达到GHz了，要想更宽的带宽，就目前的无线通信技术而言无法胜任。太赫兹波的频率高、带宽宽，能够满足无线宽带传输时对频谱带宽的需求。因此，宽带无线安全接入将是太赫兹波通信的新场景。

4)宽带通信和高速信息网。太赫兹波具有10 Gb/s以上的通信速率，方向性和穿透力强，带宽宽，其频率是目前无线移动通信频率的1 000倍左右，是极好的宽带信息载体，特别适合用于卫星之间、星地之间及局域网的宽带移动通信和高速信息网络。

5)空间通信。在外层空间，太赫兹波在350 μm、450 μm、620 μm、735μm和870 μm波长附近存在着相对透明的大气窗口，能够做到无损耗传输，极小的功率就可完成远距离通信。并且，相对光通信而言，波束更宽，接收端容易对准，量子噪声较低，天线终端可以小型化、平面化，因此，太赫兹波可广泛应用于空间通信中。

6)军事保密通信。太赫兹波具有短距离通信和良好传输介质特性的空间传输优势，并且频段高、带宽宽，具有通信保密和抗干扰能力，特别适合应用在保密军事通信。

4 结语

太赫兹通信技术的研究只有20年时间，很多关键器件还没有研制成功，一些关键技术还不够成熟，要应用到实际生活中，还需大量的研究工作要做。但太赫兹通信是一个极具应用前景的技术，随着信息技术的发展和关键器件及关键技术的突破，太赫兹波通信技术必将给人类生活带来深远的影响。

［1］李欣，徐辉，禹旭敏，等.太赫兹波通信技术研究进展及空间应用展望［J］.空间电子技术，2013，4(04):56－60.LI Xin，XU Hui，YU Xu － min.Progress of Terahertz Communication Technology and Space Application Outlook［J］.Space Electronic Technology，2013，4(4):56 －60.

［2］顾立，谭智勇，曹俊诚.太赫兹波通信技术研究进展［J］.物理，2013，42(10):695 －707.GU Li，TAN Zhi － yong，CAO Jun － cheng.Terahertz Communication Technology ［J］.Physics，2013，42(10):695－707.

［3］赵国中，陈鹤鸣.新型高速调制太赫兹波调制器理论研究［J］.通信技术，2013，46(07):4－6.ZHAO Guo － zhong，CHEN He － ming.Study on Novel High－speed Terahertz Wave Modulator［J］.Communications Technology，2013，46(7):4 －6.

［4］王琳，谭萍，付强，等.太赫兹空间通信系统的分析与设计［C］//2007年全国微波毫米波会议论文集.宁波:中国电子学会微波分会，2007.Wang Lin，Tan Ping，Fu Qiang.Analysis and Design of Thz Wave in the Space Communication System［C］.//Proceedings of the National Microwave and Millimeter Wave Conference，Ningbo:Chinese Institute of Electronics Microwave Branch，2007.

［5］KOCH M.Nato Science for Peace and Security Series－B:Physics and Biophysics［M］.edited by Miles R E，Zhang X C，Eisele Hetal.Dordrecht，Nether lands:Springer Science and Business Media，2007:325 －326.

［6］姚建铨，迟楠，杨鹏飞，等.太赫兹波通信技术的研究与展望［J］.中国激光，2009，36(9):2213 －2233.YAO Jian－quan，CHI Nan，YANG Peng－fei.Study and Outlook of Terahertz Communication Technology［J］.CHINESE JOURNAL OF LASERS，2009，36(9):2213 －2233.

［7］王文炜，申金娥，荣健.太赫兹技术在通信方面的研究进展［J］.湖南城市学院学报，2007，16(02):46 －49.WANG Wen－wei，SHEN Jin－e，RONG Jian.Investigated Progress of Terahertz in Communication Technology［J］.Journal of Hunan City University，2007，16(02):46 －49.

［8］张怀武.我国太赫兹基础研究［J］.中国基础科学，2008，1(01):15 －20.ZHANG Huai－wu.Research on Terahertz Science and Technology in China ［J］.China Basic Science，2008，1(1):15－20.

［9］薛力芳.世界上功率最大的太赫兹激光器芯片问世［EB/OL］.(2014－02－27)［2014－03－10］.http://www.dsti.net/Information/News/87228.XUE Li－ fang.World's most powerful laser chip terahertz advent:［EB/OL］.(2014－02－27)［2014－03－10］，http://www.dsti.net/Information/News/87228.