太赫茲關鍵技術及在通信里的應用

太赫茲被稱為改變未來十大技術之一，是當今世界研究的熱點技術，在空間科學、無源遙感、安全檢測、生物醫學和天文觀測等方面有著顯著性能優勢，今天我們一起來學習一下太赫茲和其在通信里的應用。

太赫茲波在自然界中隨處可見，我們身邊的大部分物體的熱輻射都是太赫茲波。它是位于微波和紅外短波之間的過渡區域的電磁波，在電子學領域，這段電磁波稱為毫米波和亞毫米波，在光學領域，又被稱為遠紅外射線。一般我們稱頻率范圍0.1-10THz，其波長為3mm-30um的電磁波為太赫茲波，而有些場景下特指0.3-3THz，還有些時候可定義廣義的太赫茲波到100THz。

太赫茲在電磁波譜中的位置

在早期由于沒有高效率的發射源和靈敏的探測儀器，這一段的電磁波并沒有引起過多的注意，也沒有進行深入的研究，在電磁波譜中也被稱為太赫茲空隙（THz Gap），隨著光電子技術和半導體技術的發展，太赫茲技術研究也有了飛速的發展。因為其在電磁波譜中位置的特殊性，科學家們在研究太赫茲技術時一般從兩個方向進行研究，即從長波方向的電磁學或電子學領域和從短波方向的光學領域研究，這兩個方向的物理特性也有著顯著的不同。

一方面，低頻電磁波的發射來源于電荷的宏觀運動，隨著電磁頻率越來越大，一些低頻可忽略的效應的影響會越來越明顯，比如，雜散電容效應。所以，一些經典的電磁波源和電子元器件無法適應于太赫茲波段，必須開發更快速和尺度更小的電子元件來滿足這一波段的需求。而光波則來源于電子的量子躍遷，太赫茲輻射光子能量的兩個能級只差只有毫電子伏，這一能級差甚至小于大多數晶體光學聲子的能量，因此會受到熱馳豫效應的嚴重影響，要獲得這一波段高效率的光源，必須有效地避免熱馳豫效應的影響。

另一方面，對于低頻的電磁波，由于電磁波的波長一般大于元器件的尺寸，因此在處理電磁場與元器件相互作用時，可以把電磁場看做是均勻分布的，而與此相反地，光學元器件的尺寸則遠大于光的波長，所以在研究光學問題時，不能再認為光場是均勻分布的，而是認為介質在光學波長范圍內是均勻的。

這意味著，對于太赫茲來說，不能僅僅只通過電磁學和光學來近似的研究，需要根據不同的情況，再結合兩個方向的特性開發新的技術，這也是很長的一段時間里電磁波頻譜中存在一個太赫茲空隙的原因。

我們知道5G中引入更大的帶寬的毫米波，與毫米相比太赫茲頻譜更加豐富，太赫茲擁有更寬的帶寬資源，信息傳播的容量高，傳輸能力強，理論上可以達到100Gbit/s以上的高速數據傳輸，其波束更窄，方向性也更好，抗干擾能力強，波長也更加的短，也易于實現小型化，雖然太赫茲波也具有一定的光學特性，但不像光通信，它不受環境光源產生的環境噪聲的影響，而且在霧，灰塵等不利的氣候條件下，也有著不錯的性能。相比較之下，太赫茲具有傳輸容量大、安全性高、穿透性好等特性，在無線通信領域具有顯著的優勢，被業界廣泛認為是6G的候選技術。

無線通信技術比較

在2019年的世界無線電通信大會（WRC-19）上通過了275 GHz-296 GHz、306GHz-313 GHz、318 GHz-333 GHz和356 GHz-450 GHz頻段共137GHz帶寬資源可無限制條件的用于固定和陸地移動業務應用，本次大會也首次明確275GHz以上太赫茲頻段地面有源無線電業務應用可用頻譜資源，并將有源業務的可用頻譜資源上限提升到450GHz。

6G通信以數萬物智聯、數字孿生為愿景，太赫茲技術可作為一種非常重要的接口技術方案，可將太赫茲適用于多種通信應用場景。

在地面通信應用中，太赫茲技術可以實現超高速無線移動場景，比如，全息通信，通信感知一體化，虛擬現實和增強現實，元宇宙等大數據量傳輸的應用。5G利用毫米波技術引入了固定無線接入場景，這種場景對太赫茲技術也同樣適用，可以將其作為毫米波的補充。另外，太赫茲的高速率傳輸也為高速無線回傳技術提供了條件，通過無線回傳可以有效降低光纖部署的成本，基站的部署也更加的靈活，尤其是在河流，沙漠，高山等自然條件復雜的環境中。同時，還可以通過太赫茲技術構建無線數據中心，這將大大降低部署空間以及部署成本。