太赫兹关键技术及在通信里的应用

太赫兹被称为改变未来十大技术之一，是当今世界研究的热点技术，在空间科学、无源遥感、安全检测、生物医学和天文观测等方面有着显著性能优势，今天我们一起来学习一下太赫兹和其在通信里的应用。

太赫兹波在自然界中随处可见，我们身边的大部分物体的热辐射都是太赫兹波。它是位于微波和红外短波之间的过渡区域的电磁波，在电子学领域，这段电磁波称为毫米波和亚毫米波，在光学领域，又被称为远红外射线。一般我们称频率范围0.1-10THz，其波长为3mm-30um的电磁波为太赫兹波，而有些场景下特指0.3-3THz，还有些时候可定义广义的太赫兹波到100THz。

太赫兹在电磁波谱中的位置

在早期由于没有高效率的发射源和灵敏的探测仪器，这一段的电磁波并没有引起过多的注意，也没有进行深入的研究，在电磁波谱中也被称为太赫兹空隙（THz Gap），随着光电子技术和半导体技术的发展，太赫兹技术研究也有了飞速的发展。因为其在电磁波谱中位置的特殊性，科学家们在研究太赫兹技术时一般从两个方向进行研究，即从长波方向的电磁学或电子学领域和从短波方向的光学领域研究，这两个方向的物理特性也有着显著的不同。

一方面，低频电磁波的发射来源于电荷的宏观运动，随着电磁频率越来越大，一些低频可忽略的效应的影响会越来越明显，比如，杂散电容效应。所以，一些经典的电磁波源和电子元器件无法适应于太赫兹波段，必须开发更快速和尺度更小的电子元件来满足这一波段的需求。而光波则来源于电子的量子跃迁，太赫兹辐射光子能量的两个能级只差只有毫电子伏，这一能级差甚至小于大多数晶体光学声子的能量，因此会受到热驰豫效应的严重影响，要获得这一波段高效率的光源，必须有效地避免热驰豫效应的影响。

另一方面，对于低频的电磁波，由于电磁波的波长一般大于元器件的尺寸，因此在处理电磁场与元器件相互作用时，可以把电磁场看做是均匀分布的，而与此相反地，光学元器件的尺寸则远大于光的波长，所以在研究光学问题时，不能再认为光场是均匀分布的，而是认为介质在光学波长范围内是均匀的。

这意味着，对于太赫兹来说，不能仅仅只通过电磁学和光学来近似的研究，需要根据不同的情况，再结合两个方向的特性开发新的技术，这也是很长的一段时间里电磁波频谱中存在一个太赫兹空隙的原因。

我们知道5G中引入更大的带宽的毫米波，与毫米相比太赫兹频谱更加丰富，太赫兹拥有更宽的带宽资源，信息传播的容量高，传输能力强，理论上可以达到100Gbit/s以上的高速数据传输，其波束更窄，方向性也更好，抗干扰能力强，波长也更加的短，也易于实现小型化，虽然太赫兹波也具有一定的光学特性，但不像光通信，它不受环境光源产生的环境噪声的影响，而且在雾，灰尘等不利的气候条件下，也有着不错的性能。相比较之下，太赫兹具有传输容量大、安全性高、穿透性好等特性，在无线通信领域具有显著的优势，被业界广泛认为是6G的候选技术。

无线通信技术比较

在2019年的世界无线电通信大会（WRC-19）上通过了275 GHz-296 GHz、306GHz-313 GHz、318 GHz-333 GHz和356 GHz-450 GHz频段共137GHz带宽资源可无限制条件的用于固定和陆地移动业务应用，本次大会也首次明确275GHz以上太赫兹频段地面有源无线电业务应用可用频谱资源，并将有源业务的可用频谱资源上限提升到450GHz。

6G通信以数万物智联、数字孪生为愿景，太赫兹技术可作为一种非常重要的接口技术方案，可将太赫兹适用于多种通信应用场景。

在地面通信应用中，太赫兹技术可以实现超高速无线移动场景，比如，全息通信，通信感知一体化，虚拟现实和增强现实，元宇宙等大数据量传输的应用。5G利用毫米波技术引入了固定无线接入场景，这种场景对太赫兹技术也同样适用，可以将其作为毫米波的补充。另外，太赫兹的高速率传输也为高速无线回传技术提供了条件，通过无线回传可以有效降低光纤部署的成本，基站的部署也更加的灵活，尤其是在河流，沙漠，高山等自然条件复杂的环境中。同时，还可以通过太赫兹技术构建无线数据中心，这将大大降低部署空间以及部署成本。

除了地面通信之外，也可以利用太赫兹波实现空天海地一体化通信，可以在卫星，无人机，飞艇等天基平台和空基平台上，搭建和运行太赫兹通信设备，这得益于太赫兹波在外层空间的近乎无损耗传播，使得信号可以传播很远的距离。这将实现太空，天空，海洋，偏僻地面的多位一体的信号覆盖。

空天地一体化通信

随着未来对太赫兹技术的持续突破，可以利用太赫兹技术实现通信系统的微小化，可以将器件做到微毫甚至微纳尺寸大小，加上生产工艺的发展，实现片上各节点无线通信。另外，随着新型材料的研发和技术的发展，构建人体的体内局域网也成为可能。

通信系统微型化

在当今背景下，太赫兹技术对我国重要性不言而喻，掌握了太赫兹技术就掌握了主动权，而避免了卡脖子带来的被动局面。

审核编辑：黄飞