太赫兹通信技术现状分析

太赫兹通信技术现状分析

刘嘉政

中国计量大学  浙江 杭州  310000

摘 要

太赫兹(THz)波的频段可以覆盖自然界多种物质的特征谱，利用太赫兹(THz)波可以加深和扩大人类对自然界一些基本科学问题的理解，甚至可以有新的发现。太赫兹通信(Thz Communications)是指利用太赫兹的电磁波作为通信载波实现无线通信的技术。太赫兹波拥有可供利用的超大频宽频谱资源，可支持无线通信的超大速率传输。

本文简单分析了太赫兹通信技术在国内外的研究进展并且对太赫兹通信的一部分关键技术与研究成果进行分析介绍，在文章的后半部分，本文对太赫兹通信的未来进行了展望，探讨了太赫兹通信在各个领域的应用成果与发展方向。

关键词： 太赫兹通信；太赫兹应用；太赫兹波；

一、太赫兹通信技术概况与关键技术

1、太赫兹通信概述

赫兹是个频率单位，太赫兹指1012这个频率的电磁波，介于红外线和微波之间。以前于太赫兹波的自身特性以及缺乏有效的技术手段，人们对太赫兹波的认识、研究和应用是空白，现在兴起研究太赫兹波的潮流，是个前沿交叉领域。在1980年代，太赫兹频段被称为“太赫兹鸿沟”，其相关技术尚待挖掘，因为缺乏稳定有效的太赫兹发射源和探测器，以及与太赫兹相关的研究稀少。太赫兹技术上仍基本处在一个空缺状态。太赫兹电磁波是一种与众不同的低能光子。太赫兹位于激光和微波之间的波段，因此他的特性不能简单只用光学理论或者微波理论来进行解释。如今，随着新一代太赫兹源与探测器的不断发展问世，这个“鸿沟”正在快速被填补，技术也积极发展。太赫兹波光子能量小，不会引起生物组织的电离，适合生物医学成像；因为它对非金属和非极性物质有高的透过性，可用于安全检查、无损检测；还有，有机体和生物大分子等物质在太赫兹波段有特征吸收谱，可用于爆炸物、毒品等危险物品的识别。

太赫兹通信技术可以被分为全电子、光子辅助、全光子 3 种类型，光子辅助型与全光子型都可认为是基于光子技术路线的太赫兹通信实现方式。基于电子学的太赫兹通信技术可以支持大功率太赫兹信号的辐射，能够进行长距离的无线传输。因为在这些年来，半导体工艺和集成电路技术的逐步发展，基于纯电子的太赫兹通信器件在实现小型化和集成化方面的技术比较成熟。但基于电子学的太赫兹通信链路性能可能会受电子器件工作带宽、调制效率、谐波干扰等因素的影响。

基于光子学的太赫兹通信技术具有超宽带、调制效率高、谐波干扰小等许多优点，有利于实现超高速的无线通信，且基于光子学的太赫兹通信技术能更好的支持无线链路与高速光纤接入网络的结合应用。

2、太赫兹通信关键技术

2.1 太赫兹器件与系统

太赫兹通信应用目前面临的最大挑战，就是太赫兹关键器件如芯片，组件等的研发与生产能力，其中主要是需要一个能够稳定且小型的太赫兹波发射源；还需要能够灵敏的检测出太赫兹波的器件；太赫兹波的传输也是一个问题，需要研究出新的传输组件。

我国目前虽然在太赫兹通信的组件以及原型系统等方面都出类拔萃，甚至一度达到了国际的前列，但是芯片问题永远是我国的一个硬伤，不能自主的生产芯片也意味着在许多领域包括太赫兹通信方向都要被“卡脖子”，而且我国在太赫兹波方面的研究成果多集中于产业成熟度较低的高等院校、研究所等学研机构。

2.2 太赫兹信道建模

太赫兹信道模型建模的方式有三种不同的类型：参数化统计信道建模，确定性信道建模，参数化半确定性建模。

太赫兹通信实际应用场景的设备部署，将会受到太赫兹波传播特性和信道建模的直接影响。想要真正的让太赫兹通信得到应用，其中必须要做好的就是太赫兹波的信道建模。太赫兹通信能够应用的场景十分广泛，从宏观到微观，囊括海陆空实在是外层空间等多种环境。

二、太赫兹通信技术应用与未来展望

由于太赫兹波具有极其独特的性质，作为一个处于电子与光子之间的特殊电磁波，他比微波与光通信拥有着更多的优点与可能，因此太赫兹通信在未来的诸多领域都有着许多的应用范围，而且前景广阔。从大体上可以将太赫兹通信的应用分为宏观应用与微观两种方向。

1、太赫兹通信的宏观应用

1.1 太赫兹太空通信

在外层空间，由于太空中的水分子与氧气相对大气层内对方的减少。太赫兹波的衰减也就会大幅度降低。太赫兹波在太空时，某些波长能够做到无损耗的通信数据传输，在进行远距离通信时仅仅需要极低的功率就能完成。相比光通信波，太赫兹的波束更宽，这也使得接收端能够更好的对准，量子噪声更低。太赫兹的通信系统天线终端比微波通信系统更加方便有效，可以实现小型化和平面化。

1.2 军事通信

太赫兹波所具有的优良特性：高穿透性，瞬时性，宽带性等都是在军用通信技术中能大放异彩的特殊性质，因为太赫兹波在大气中会衰减的很快，这也就导致其很难被捕捉，因此也就导致了太赫兹波的保密性很好，其保密性也是太赫兹波在军事通信应用中的一大优点。太赫兹波拥有非常强大的抗干扰能力，能够实现在短距离内的定向大容量保密通信，这是一种在战场上的强大通信优势。其原因就是他的波束极短但是带宽却很宽，

2、太赫兹通信的微观应用

太赫兹通信的微观尺度应用场景主要是指通信距离小于1m的应用场景，这样可以避免太赫兹波段在大气中会因为路径过长带来的衰减和分子衰减带来的负面影响。太赫兹波长很短，甚至与分子的大小相近，因此太赫兹的微尺度的应用主要集中在生物医学、医疗保健等领域。太赫兹频段可以实现纳米级的设备通信网络，可以用于人体的医疗检测系统，能够实时检测人体的各项指标，甚至可以在人体中植入许多纳米传感器使其组成一个通信网络，以此来对人体多处的部位和指标来进行精确的监测。

太赫兹通信的微观应用还可以用于芯片之间的超高速通信。如今最精密的芯片已经达到了3nm的精度，且还在不断的提高精度，总线与芯片之间的通信也变得逐渐困难，因为芯片位置不变，而且通信距离短，太赫兹通信就可以利用其优良的传输特性，完美的实现芯片之间的超高速通信

三、结语

太赫兹波在电磁波处于一个极其特殊的位置，因此他拥有极其重要的学术地位，在各种技术还不是很发达的20世纪，人们虽然已经发现了的太赫兹波的存在，却因为受制于种种原因而没法对其进行开发应用，甚至将其命名为“鸿沟”，而在今天太赫兹的种种特殊性质都被人们发掘且验证，他的特殊性质给通信领域的各个方面都带来了强大的影响。太赫兹波强大的发展潜力引起了世界各国的强烈关注，但因为太赫兹技术的发展也不过经历了大约30年左右的时间，因此很多的关键组件与芯片都还在构思阶段，甚至很多的关键技术还只是雏形。随着太赫兹技术的不断发展与突破，其必将为整个人类社会带来深远的影响。

参考文献

[1]李纪舟,蒋文涛.太赫兹波通信技术研究现状及展望[J].通信技术,2014,47(04):348-353.

[2]杨静娜.太赫兹通信技术的研究与展望[J].数字通信世界,2019,No.171(03):62.

[3]赵明明,余建军.太赫兹通信系统的研究现状与应用展望[J].太赫兹科学与电子信息学报,2018,16(06):931-937.

[4]姚建铨,迟楠,杨鹏飞,崔海霞,汪静丽,李九生,徐德刚,丁欣.太赫兹通信技术的研究与展望[J].中国激光,2009,36(09):2213-2233.

[5]杨文文,刘文朋.太赫兹通信研究进展[J].北京联合大学学报(自然科学版),2015,29(04):19-28.DOI:10.16255/j.cnki.ldxbz.2015.04.004.

作者简介：刘嘉政（2001.2-）,男，汉族，广西玉林，本科在读，研究方向：电子信息科学与技术。