太赫兹通信技术简单介绍_发展及应用

1、太赫兹通信技术介绍

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。

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。

表1国内太赫兹通信技术相关研究成果

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

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。

4、太赫兹通信的发展趋势

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。