浅析太赫兹通信技术

1.什么是太赫兹：

其实“太赫兹”(Terahertz，THz)是单位Terahertz的英译，其中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。如图1所示（红色标注为太赫兹在频谱中的位置）：

在电磁频谱上，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，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经相对成熟。但涉及太赫兹波段的研究结果和数据却非常稀少，在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，另外在很大程度上受限于有效的太赫兹源和探测器，因此这一波段一度被称为“太赫兹空隙” （TerahertzGap）。近年来，激光器的发展为THz的产生提供了稳定，可靠的激光光源；同时THz的检测技术也取得了蓬勃的发展，使太赫兹技术的应用成为可能。如今，太赫兹技术在医疗诊断、天文、物体成像、工业探伤、宽带移动通信，雷达探测等众多领域显示了重大的科学价值及实用前景。

2、太赫兹通信的技术特点：

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。

3、太赫兹通信技术的应用

（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。

4、太赫兹通信的发展趋势

赫兹作为微波和毫米波的延伸，它所提供的通信带宽要远远大于毫米波。随着太赫兹辐射源和探测器的发展，以及太赫兹调制器和滤波器的问世，促进了太赫兹在通信领域的发展应用。可以预测在不远的将来太赫兹波技术将会在近距离通信（10m到100m以内）方面发挥出越来越大的作用。太赫兹用于通信可以获得10GB/s的无线传输速度，这比当前的超宽带技术快几百甚至1000倍之多，而且与可见光和红外相比它同时具有极高的方向性以及较强的云雾穿透能力。这就使得太赫兹通信可以以极高的带宽进行高保密卫星通信。由于太赫兹频段位于红外线和高频无线电（主要用于移动电话和其他无线通信系统之中）之间，并且该频率是目前手机通信频率的1000倍左右，所以它是很好的宽带信息载体，特别适合作卫星间、星地间及局域网的宽带移动通信。因此利用太赫兹电磁波进行无线电通信，则可以极大地增宽无线电通信网络的频带，可望使无线移动高速信息网络成为现实。工作在太赫兹频段的自由空间光（FSO）通讯系统可以将无线电波和可见光的优点结合起来，在浓雾天气中也可以高速传输数据。

（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。