太赫兹通信技术研究＊

赵鑫 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

赖俊森 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

太赫兹通信技术研究＊

赵鑫 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

赖俊森 中国信息通信研究院技术与标准研究所工程师

太赫兹通信技术的研究是具有良好应用前景的热门研究领域。本文分别从国际和国内两个方面对太赫兹通信技术的发展现状进行了介绍，同时对于太赫兹通信技术的特点、应用情况及未来的发展趋势进行了探讨。

太赫兹通信 太赫兹波 太赫兹

1 引言

随着近20年来太赫兹通信相关技术的突破和快速发展，太赫兹通信已被各个国家和相关企业、研究机构作为重点研究领域。根据新兴市场研究报告统计，全球太赫兹通信技术市场份额在2018年左右将增长到5.21亿美元，年增长率约为37.2%。太赫兹技术被美国评为“改变未来世界的十大技术”之一（位列第四位），被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。我国也将太赫兹技术研究作为提高国家科技创新能力，促进社会发展和国家安全的前瞻性战略研究方向。

太赫兹（Terahertz，1THz＝1012Hz）泛指频率在0.1～10THz波段（对应波长为30～3000μm）范围内的电磁波，介于红外和微波之间。太赫兹波的位置处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。以往由于缺乏有效的太赫兹波产生和检测的方法，因此对太赫兹波的研究较为有限，使其成为电磁波谱研究上的“太赫兹空隙”（TerahertzGap）。太赫兹波在电磁波频谱中所处的位置如图1所示。

2 国内外研究现状

图1 太赫兹波在电磁波频谱中的位置图

太赫兹通信技术的快速发展使得太赫兹通信越来越受到国际各国的关注和重视。我国政府在2005年底专门召开了香山科学会议，结合国内太赫兹通信技术研究领域专家集中讨论我国太赫兹通信技术的发展和前景，制定太赫兹通信技术的发展关键领域和规划。我国太赫兹通信技术研究受到政府和各研究机构的广泛重视。在各高校和研究机构也先后成立了国家重点实验室、研究所和研究中心，这主要包括中国科学院上海微系统所、首都师范大学、中国科学院物理研究所、中国工程物理研究院等。

我国在太赫兹通信技术研究方面主要研究机构的相关研究成果见表1。

相对于国内的太赫兹技术的研究热潮，国际各国也对太赫兹技术投入了巨大。美国早在2004年就将太赫兹通信作为“改变未来世界的十大技术”之一，并已于2006年将太赫兹通信列为国防重点科学。美国从事太赫兹通信技术的研究工作的主要研究机构包括：数十所大学及其国家实验室，如国家航天局（NASA）、美国国家基金会（DSF）和国家卫生学会（NIH）等，另外还有一些公司如BELL、IBM等也都在开展太赫兹通信技术的研究工作。

欧洲国家从事太赫兹通信技术研究的主要研究机构包括：英国Rutherford国家实验室、剑桥大学、里兹大学等十几所大学，德国的KFZ、BESSY、Hamburg等大学。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的太赫兹通信技术大型合作研究项目。

在亚洲国家从事太赫兹通信技术研究的主要研究机构包括：韩国国立汉城大学、浦项科技大学、国立新加坡大学、台湾大学、台湾清华大学等。日本在2005年就将太赫兹技术确立为国家支柱技术十大重点战略目标之一。东京大学、京都大学、大阪大学以及SLLSC等公司都大力开展THz的研究与开发工作。

近年来，国际上太赫兹通信技术重要的研究成果参见表2。

3 太赫兹通信的技术特点

表1 国内太赫兹通信技术相关研究成果

表2 国际上太赫兹通信技术研究成果

由于太赫兹波处在电磁波谱的特殊位置，使其具有很多独特的技术特点和性质。从频谱上看，太赫兹波在整个电磁波谱中处在微波与红外波之间；从光学领域看，太赫兹波被称为远红外射线；从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间。太赫兹光波不仅拥有与光相同的直进性，还具有与电波相似的穿透性和吸收性。太赫兹波的主要技术特点如下：

（1）太赫兹波的穿透性强

由于太赫兹波自身包含丰富的光谱信息，且具有很好的光谱分辨特性，对很多介电材料与非极性液体具有良好的穿透性。因此，太赫兹波不仅可以作为探测材料性质的检测工具，还可以作为通信工具在烟雾、沙尘等恶劣环境下进行通信工作。

（2）太赫兹波的光子能量较低

根据测量结果，频率为1THz的太赫兹波仅具有4.1meV的光子能量，约为X射线光子能量的百分之一量级，因此太赫兹波不易对生物组织产生伤害。相比于传统使用DWDM等技术进行有线光通信而言，太赫兹通信的能量效率更高。

（3）太赫兹通信传输的容量大

相对于微波通信而言，由于太赫兹波的频段在108～1013Hz之间，比微波通信高出l～4个数量级，使得太赫兹波的传输信息量更大。同时，太赫兹通信与高阶的编码调制技术相结合，可进一步提升无线通信的传输容量，满足大容量传输场景的通信要求。

（4）太赫兹波方向性好，保密程度高

由于太赫兹波束比微波更窄，且能够有效地抑制背景辐射噪声的影响，因此可以保证信息传送精度的同时，使太赫兹通信满足具有更好的保密性能。

（5）太赫兹通信更适合于短距离通信场景

由于强极性液体对太赫兹波有较强的吸收作用，因此太赫兹波在空气中传播时，水分子将对其造成传送损耗，因此太赫兹通信更适合于短距离的通信。

4 太赫兹通信技术的应用

随着各国研究机构对太赫兹技术的深入研究和突破，太赫兹波在空间通信、安全检测、生物医学和天文观测等领域均具有重大的科学价值和广阔的应用。

太赫兹波的主要应用领域如下：

（1）在空间通信方面

在空间通信方面，太赫兹波可以作为高速宽带的通信载体。太赫兹波通信具有极高的方向性和穿透能力，因此适用于恶劣环境下的短距离保密通讯，也适用于高带宽需求的卫星通信领域。国际通讯联盟已经指定0.12和0.22THz两个频段分别用于下一代地面无线通信与卫星间通信。

（2）在安全检测方面

在安全检测方面，太赫兹波对很多非极性物质有很强的穿透能力，可以进行远距离探测和高分辨率的成像。在军事侦察、可疑危险品、有毒有害物品检测等方面提供技术保证。

（3）在生物医学方面

在生物医学方面，太赫兹波易被极性分子吸收，光子能量低。因此，太赫兹波可以在生物医学领域有众多的应用场景提供新型的医疗手段，如医疗样品的人体烧伤程度检测，生物传感探针治疗等。

（4）在天文观测方面

在天文观测方面，太赫兹波波段比其他波段具有更低的背景噪声，同时借助强极性液体对太赫兹波有较强的吸收作用的特性，可以对宇宙中诸多物质进行探测。太赫兹波也被广泛地应用于恒星形成、星系演化以及宇宙学等方面的研究领域中。

5 太赫兹通信的发展趋势

太赫兹技术经过了多年的演进和发展，已经成为重要的通信方式和信号载体被大量研究和部分应用。但是在太赫兹源、太赫兹传输、太赫兹调制方式和太赫兹探测技术方面还不成熟，还有诸多的研究和提高空间。同时，如何克服大气水分子对太赫兹波的强烈吸收作用等不利因素也是制约其发展的重要问题。太赫兹通信的技术研究方向主要有以下几个方面：

（1）高功率的太赫兹源

目前，太赫兹通信系统的太赫兹源输出功率通常偏低。太赫兹源的功率高低直接决定了太赫兹通信系统的传输距离和信息传送质量。而且，在保证太赫兹源功率提高的同时，还必须考虑太赫兹源工作稳定性、安全性等方面的要求。

（2）调制技术和调制器件的研究

太赫兹通信系统的理论研究相对较多，实际应用的系统较少，且传输性能不高。研究和采用适合太赫兹通信传输的调制技术和调制器件，将大幅提高信号传输性能，使其应用场景更为广泛。

（3）优化高灵敏的太赫兹探测技术

不同传输环境对太赫兹通信的探测技术存在不尽相同的影响，因此需进一步研究采用合适、高效的电子处理技术，提高太赫兹探测技术的灵敏度，进一步提高太赫兹通信系统的能力和优势。

6 结束语

太赫兹通信已成为各国研究的技术热点和发展方向。太赫兹通信具有传输容量大、安全性高、穿透性好等优势，是未来高速无线通信的重要发展方向。在空间通信、安全检测、生物医学和天文观测等诸多方面，太赫兹通信技术也已表现出诸多优质特性，具有极大的发展潜力和应用前景。

1 宋琳.太赫兹空间通信可行性及需求分析.大连大学学报. 2015,6

2 李伟.亚波长结构可调谐太赫兹器件研究.南开大学博士论文.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）

国家自然科学基金项目（No.61201260，No.61471128），国家高技术研究发展计划（“863”计划）基金项目（No.2013AA013402）资助