太赫茲波通信技術研究現狀及展望

李紀舟，蔣文濤

(1.解放軍91746部隊，北京102206;2.解放軍91635部隊 北京102249)

0 引言

太赫茲波作為一個介于微波與光波之間的全新頻段尚未被完全開發［1］，具有傳輸速率高、方向性好、安全性高、散射小及穿透性好等特點，適合開展寬帶無線通信及空間通信。2004年，太赫茲技術被美國評為“改變未來世界的十大技術”之四，2005年，被日本列為“國家支柱十大重點戰略目標”之首。太赫茲波通信技術將是下一代通信技術的基礎，具有廣闊的應用前景，已成為世界各國發展研究的熱點。

1 太赫茲波通信技術

1.1 太赫茲波的特性

太赫茲波是指頻譜在0.1～10 THz(1THz=1012Hz)之間的電磁波，波長為30至3000微米，頻譜介于微波與遠紅外光之間，在低波段，它與毫米波重合，在高波段，它與紅外光重合，如圖1所示，位于宏觀電子學與微觀光子學的過渡區域。

圖1 太赫茲波在頻譜中的位置示意Fig.1 Location of the terahertz waves in the spectrum

太赫茲波具有以下特征［1－2］:①帶寬寬:太赫茲波的脈沖源包括若干個周期的電磁振蕩，單個脈沖的頻率范圍覆蓋GHz～THz;②瞬態性:太赫茲波脈沖寬度是皮秒量級的，具有非常高的時間分辨率，方便瞬態光譜研究，能有效抑制背影輻射噪聲;③相干性:太赫茲波的產生方式有兩種:一是由相干電流驅動的偶極子振蕩產生，二是由相干的激光脈沖通過非線性光學差頻變換產生，都具有相干性;④低能性:太赫茲波的光子能量較低，只有10－3eV，相當于X射線光子能量的1%，不易破壞被檢測的物質;⑤穿透性:太赫茲波能以較小的衰減穿透物質，能對不透明物體進行透視成像。

1.2 太赫茲波通信及特點

太赫茲波通信是指用太赫茲波作為信息載體進行的通信，集成了微波通信與光通信的特點［3］:

1)容量大。太赫茲波頻譜在108～1013Hz之間，大約是長波、中波、短波、微波(30 GHz)總帶寬的1 000倍，能提供超過l0 Gb/s的通信速率，是超寬帶通信技術的幾百甚至上千倍。

2)方向性強。太赫茲波的波束窄，具有極高的方向性，能穿透云霧及偽裝物，可在大風、沙塵以及濃煙等惡劣的環境下以極高的帶寬進行定向通信。目前國際電聯己決定將0.12 THz和0.2 THz劃歸無線通信使用，可能以后還會向太赫茲中段發展。

3)保密性好。太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，信號衰減嚴重，傳輸距離較短，不適合地面遠程通信，也使得探測通信信號非常難，通信保密性能好，因此適合地面短程安全通信。特別是戰場通信，可實現隱蔽的近距離通信，使敵人無法在通信中探測、截取、阻塞或“造假”傳輸信號。美國正在利用太赫茲傳輸距離相對較短、不易被截獲的優勢，研制通信距離在5千米左右的近距離戰術通信系統。

4)性價比好。太赫茲波的波長比較短，收發天線的尺寸小，通信系統結構簡單、可靠，并且經濟，還可減輕相互通信之間的干擾。

5)效率高。相對于光通信而言，太赫茲波的光子能量低，大約是10－3eV，只有可見光的1/40，用它作為信息載體，可以獲得極高的能量效率。

1.3 太赫茲波通信系統組成架構

目前研究中的太赫茲波通信系統結構有三種典型的發射子系統和兩種接收子系統［2－3］:

1)全電子器件發射子系統如圖2所示，該系統是基于電子器件的系統，由RF電信號發生器、電調制器和前置放大器組成。太赫茲波信號一般由多倍放大耿氏振蕩器產生，或由30～100 GHz的微波/毫米波發生器合成。

圖2 全電子器件系統Fig.2 Full electronics system

2)光電子器件發射子系統如圖3所示，該子系統利用光電子器件實現太赫茲信號的產生和調制，兩個紅外激光器產生兩束光信號，通過光學外差法，利用單行載流子光電二極管(UTC－PD)轉換為太赫茲波信號。該結構系統一般工作在1 THz以下，基于1.55 μm遠距離通信平臺。

圖3 光電子器件系統Fig.3 Optoelectronic devices Systems

3)太赫茲激光器系統如圖4所示，這是一個基于半導體激光器的系統，如量子級聯激光器(QCL)，可以產生1 THz以上的太赫茲信號。通過外調制器，QCL可實現調制頻率在10 GHz以上的直接調制［4］。

圖4 太赫茲激光器系統Fig.4 Terahertz laser system

太赫茲波通信兩類接收子系統是直接探測系統和相干探測系統，都是利用量子阱探測器或電子器件等光電子器件構建系統的。

4)直接探測系統如圖5所示，該系統結構簡單，主要用于1～10 THz信號接收。

圖5 直接探測系統Fig.5 Direct detection system

5)相干探測系統如圖6所示，該系統結復雜，靈敏度高，可以探測頻率調制和相位調制的微弱太赫茲信號。

圖6 相干探測系統Fig.6 Coherent detection system

1.4 太赫茲波通信系統關鍵技術

目前，正在研究中的太赫茲波通信關鍵技術主要包括［4－5］:

1)關鍵器件技術。主要包括:常溫下可連續輻射的大功率、小體積太赫茲波輻射源;常溫下高靈敏度太赫茲波檢測器件和技術;太赫茲波傳輸器件如傳輸波導、諧振系統等。其中，高效太赫茲輻射源技術是當前最基本、最關鍵和最急迫的技術。

2)高速率信號調制技術。太赫茲頻段非常寬，適合高速率的信號傳輸，速率可達10 Gb/s以上，超過了電調制方式，傳統的無線通信電調制技術已不適用，必須針對太赫茲波通信和網絡中的調制編碼、網絡協議等關鍵技術進行研究。

3)太赫茲波信號放大技術。太赫茲波的輻射功率低，無法滿足通信的正常要求，因此，要依據所選定的太赫茲波通信頻段，解決信號放大技術問題。

4)信號檢測處理技術。主要是指太赫茲波信號光電子檢測技術及其轉換成電信號后的高速信號處理技術。

5)天線收發技術。太赫茲波輻射的功率比較低，為了保證通信質量，天線總體結構要緊湊、輕巧、穩定可靠。高增益的太赫茲天線輻射技術是需要解決的關鍵技術之一。

6)寬帶大容量信息處理技術。太赫茲波通信可傳輸極高容量的信息，為更好地利用太赫茲頻段的傳輸容量，太赫茲寬帶大容量信息處理技術也是需要研究的關鍵技術。

7)太赫茲波的捕獲、跟蹤和瞄準(APT)技術。太赫茲波在低頻段的波束發散角較大，接收端捕獲波束較容易。但在高頻段，靠近光波段，波束比較窄，如果不用APT系統，接收到的太赫茲波信號會產生較大誤差，無法正常通信。因此，APT技術也是太赫茲波通信技術必須考慮的關鍵技術。

8)太赫茲波通信系統總體技術。由于太赫茲波處于光學理論和電子學理論的交叉地帶，其通信技術體制應有別于現有通信技術體制，需要開展相關研究。

2 太赫茲波通信技術研究現狀

目前太赫茲波通信技術的研究主要集中在:太赫茲波輻射源技術、太赫茲波信號調制技術、太赫茲波信號探測技術、天線技術、太赫茲波通信系統總體技術等［6］。

2.1 太赫茲波輻射源技術

2.1.1 半導體太赫茲波輻射源

半導體太赫茲波輻射源一般體積小、可調諧、使用方便。較為常見的有Impatt、Gun振蕩器、共振隧道二極管(RTD)及量子級聯激光器(QCL)等。其中，QCL以異結構半導體(GaAs/AIGaAs)的導帶中的次能級間的躍遷為基礎，利用縱向光學聲子的諧振產生粒子數反轉的一種激光器，是正在研究的重點器件。1994年，Federico Capasso等人率先發明QCL。2000年，中國率先研制出5至8微米波段半導體 QCL。2002年，意大利和英國研制出了4.4 THz、2 mW(溫度 8 K)的 QCL。此后，逐漸降低頻率，提升了脈沖的功率。2004年，美國研制的QCL達到了2.1 THz、連續波功率1 mW(溫度 93 K)、脈沖功率20 mW。2005年，美國研制出137 K、200 mW的QCL。2007年，哈佛研發出170 K、3 THz的QCL。2009年，Kumar等人研制出基于對角躍遷的186 K、3.9 THz的 QCL，峰值功率達5 mw。2010年8月，美國和英國利用一種“超材料”研制成功新型太赫茲半導體激光器，使光波準直性能與傳統太赫茲光源相比顯著改善。中國科學院在“十五”期間研制了激射頻率為3.2 THz的QCL。2014年2月17日，英國利茲大學開發出了世界上功率最大的太赫茲激光器芯片――QCL，輸出功率超過了1 W，比2013年維也納團隊的記錄高出一倍以上［7］。共振隧道二極管(RTD)是通過量子共振隧穿效應工作的納米器件，也是目前正在研究的關鍵器件之一。2013年12月16日，日本開發出了可在室溫下工作、基本振蕩頻率為1.42 THz的共振隧道二極管。

2.1.2 光學和光子學太赫茲輻射源

該類輻射源主要是通過超短激光脈沖、紅外光泵浦、非線性差頻及參量過程等幾種方式產生的。其中，利用超短激光脈沖產生輻射波是當前研究的重點，主要有兩種方式:①利用瞬時光電導。即在光電導的表面淀積金屬，制成偶極天線電極，再利用飛秒激光照射電極之間的光電導半導體材料，會瞬時在表面產生大量電子空穴對，形成光電流，進而產生太赫茲輻射;②利用光整流。即利用電光晶體作為非線性介質，使超快激光脈沖進行二階非線性光學過程或者高階非線性光學過程來產生太赫茲電磁脈沖。目前已經發展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學晶體的太赫茲激光源。如太赫茲光導天線、非線性差頻、光整流、太赫茲參量振蕩器和光學Cherenkov輻射和放大器(TPG，TPO，TPA)等等。

2.1.3 真空電子學太赫茲波輻射源

真空電子學太赫茲波輻射源主要包括:相對論電子器件、太赫茲納米速調管、太赫茲回旋管、太赫茲返波振蕩器(BWO)、擴展互作用振蕩器(EIO)以及單行載流子光電二極管(UTC－PD)。

1)相對論電子器件。主要包括:自由電子激光器(FEL)、等離子體尾場契倫科夫輻射和儲存環太赫茲輻射源。其中，FEL的頻譜連續可調、范圍廣、峰值功率及平均功率較大、相干性好。2012年1月，美國利用lMeV靜電加速器的FEL，在2 mm到500微米，0.15～6 THz，產生l kW的準連續波。儲存環太赫茲輻射源，可產生0.03～30 THz的太赫茲波，亮度超過現有輻射源9個數量級。

2)太赫茲波納米速調管。該器件將微電子加工技術、納米技術和真空電子器件技術融合在一起，能產生毫瓦級的輸出功率，電壓低，不需要磁場，具有低色散、長工作壽命等特點。目前，美國研制出頻率為0.3 ～3.0 THz，當工作電壓為500 V時，連續波輸出功率可高達50 mW的納米速調管

3)太赫茲回旋管。回旋管是快波器件，能在很高的頻率下產生高脈沖功率，可達到千瓦級，平均功率也較高。美國海軍研制出具有超高磁場(16.6T)的太赫茲回旋管振蕩器，工作頻率為500～1 000 GHz，輸出功率數百瓦。日本Fukui大學研制出了0.889 THz，輸出功率達數萬瓦的太赫茲回旋管。俄羅斯正在研制1 THz的回旋管，脈寬100 μs，脈沖磁場40 T，電流5 A，電壓30 kV，輸出功率可達10 kW。我國成都電子科技大學分別于2008年和2009年在國內首次成功研制了0.22 THz脈沖功率大于2 kW的一次諧波和0.42 THz脈沖功率千瓦級二次諧波THz回旋管。

4)太赫茲返波振蕩器(BWO)。BWO是一種經典電真空微波源慢波器件。俄羅斯研制的BWO可以產生180～1 110 GHz、輸出功率3～50 mW的電磁輻射。美國NASA正在開發工作頻率300 GHz～1.5 THz的 BWO。

5)擴展互作用振蕩器(EIO)。CPI公司于2007年研制出220 GHz的 EIO，電壓1 kV，電流105 A，平均功率6 W，具有2%的機械調諧，重量不超過3 kg。德國FGAN公司研制出了220 GHz、脈沖功率35 W、占空比0.005%的 EIO。

6)單行載流子光電二極管(UTC－PD)。2004年，研制成功以單行電子作為活性載流子的新型光電二極管，具有高速度和高飽和輸出特性，輸出功率為2.6 μW，頻率1.04 THz，適合在10 Gb/s的 THz 無線通信中應用。

2.1.4 太赫茲波發射子系統的其他技術

1)太赫茲波真空放大器。2013年12月，美國國防部高級研究計劃局使用微型真空集熱管，設計并演示了一個0.85 THz的功率放大器，這是世界上第一個微型真空管。

2)太赫茲波帶通濾波器。2009年9月，Utah大學利用表面等離極化激元(plasmonpolariton)技術，研制出全球首款帶通濾波器，中央頻率為每秒1萬億周期。

3)石墨烯天線技術。2013年3月，佐治亞理工學院提出研制石墨烯天線構想，希望在一年內制造出模型，實現短距離內無線數據傳輸速度達到兆兆位/秒。石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構成的單層片狀結構的新材料，呈蜂窩狀點陣結構，是目前已知導電性能最出色的材料，導電速度比硅快50至500倍。由石墨烯材料制制成的天線，能夠以THz頻率工作，遠超目前常規的MHz、GHz天線。

2.2 太赫茲波信號調制技術

2003年，Kersting等人利用 AIGaAs/GaAs量子阱實現低溫環境下的太赫茲波信號的相位調制;2005年Liu等人通過低溫生長的GaAs制成偶極子天線制成中心頻率在 0.3 ～0.4 THz、100 cm、系統帶寬20 kHz的調制解調器。2006年Chen等人利用周期結構的人工復合媒質，實現電壓幅度調制，幅度調制率達到50%。2009年，H.T.Chen等提出了線性電控超材料相位調制器，外加16 V偏壓時，在0.81 THz頻點處，材料透射系數由無外加偏壓時的0.56下降到 0.25，透射振幅下降了 50%，在0.89 THz頻點處，可實現 π/6的相移。2012年11月，諾特丹大學研發了用石墨烯設計的寬帶太赫茲波調制器，可以在很大的頻率范圍內調制太赫茲波，處理能力是之前的太赫茲寬帶調制器的兩倍多。目前，美國正嘗試利用電磁波代替電流信號制造新型太赫茲波信號調制器，期望傳輸速率達到每秒萬億字節，比目前的電流調制系統快100倍。

2.3 太赫茲波信號探測技術

2.3.1 傳統探測技術

基于傳統手段的探測技術主要有超導混頻技術(SIS)、熱電子測熱電阻(HEB)混頻技術和肖特基勢壘二極管(SBD)技術。SIS探測頻率約為0.1～1.2 THz，需在液氦溫度下工作。HEB主要用于探測1 THz以上的輻射信號，最高探測頻率達5 THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍。目前，SBD技術運用的比較廣泛，可用在4～300 K溫度內的直接式探測器，也可用作外差式接收單元混頻器的非線性元件。2012年11月，中國研制出截止頻率達到3.37 THz的太赫茲肖特基二極管。

2.3.2 時域光譜探測技術

目前研究的時域光譜探測技術主要包括［7］:①光電導相干探測技術，使用光電導半導體天線進行接收，利用探測光在半導體上產生的光電流與太赫茲驅動電場成正比的特性，測量太赫茲波的瞬間電場;②電光探測技術;即將鈦寶石激光器提供的飛秒脈寬激光脈沖分成兩束，一束較強的激光束通過延遲成為泵浦光，激發發射器產生電磁波，另一束激光束作為探測光與太赫茲波脈沖匯合后同步通過電光晶體，把太赫茲波在電光晶體上引起的折射率變化轉變成探測光強的變化，再用平衡二極管接收并輸入鎖相放大器，然后再經計算機進行處理和顯示。

2.3.3 啁啾脈沖光譜儀探測技術

該技術產生自傳統的太赫茲互相關探測技術，克服了互相關技術中測量速度較慢的缺點，時間分辨率與信噪比較高［8］。但是，由于該技術中的光譜儀引入了傅立葉變換，在時間分辨率上有限制，使太赫茲時間波形發生了畸變。

2.3.4 量子阱探測器(QWP)

QWP是應用在太赫茲波段的一種新型量子阱紅外光電探測器，是基于帶內光致激發，將導帶阱內的束縛態電子激發到連續態。它一般采用GaAs/AIGaAs材料，具有較強的光譜分辨率，是一種窄帶探測器。

2.4 太赫茲波通信系統技術

2007年，日本研制出0.12 THz、調制為 ASK、11.1 Gb/s的全固態太赫茲波通信系統，實現了遠距離(＞800 m)同時傳輸6路未壓縮高清電視信號的能力，己成功應用于2008年的北京奧運會。2008年，德國研制出傳輸距離22 m、300 GHz的太赫茲波通信系統。2009年，加拿大完成了基于 QCL和QWP的全光學通信鏈路演示實驗，通信頻點為3.8 THz。2010年，德國研制了300 GHz信道測量系統，實現了96 Mb/s的DVB－S2數字信號的傳輸，傳輸距離達到了52 m。2010年，中國利用QCL作為發射源，光導型QWP作為探測器，實現了太赫茲無線音頻信號的傳輸，系統帶寬580 kHz左右，頻率4.1 THz，傳輸距離達2 m。2010 年，中國研制了0.14 THz、16 QAM、10 Gb/s的太赫茲波通信系統，完成了0.5 km無線傳輸實驗(軟件解調)，突破2 Gb/s實時解調、均衡與譯碼技術，調試成功2 Gb/s 16 QAM的實時解調樣機。2011年完成了0.14 THz、1.5 km的2 Gb/s無線傳輸實時解調實驗和10 Gb/s的軟件解調實驗。2011年11月，羅姆和大阪大學將共振隧道二極管(RTD)作為振蕩元件和檢測元件，在室溫下實現300 GHz、1.5 Gb/s的無線通信系統。2012年，他們又搭建了2.4 m通信鏈路，最大傳輸速率可達5 Mb/s，系統延時為220 ns。2012年，中國研制出了國內首部基于光電結合的0.1 THz全固態高速無線通信系統，傳輸速率可達11 Gb/s。2013年，中國完成了3.9 THz波的實時視頻通信演示。2013年5月，德國研制出在240 GHz頻率下，以40 Gb/s傳播超過1公里的太赫茲波通信試驗系統。同年10月，又創建了一個工作在237.5 GHz頻率的無線通信系統，創下了100 Gb/s的無線數據傳輸速率記錄。

3 太赫茲波通信技術應用展望

太赫茲波以其獨有的特性，使太赫茲波通信比微波和光通信擁有許多優勢，決定了太赫茲波在高速短距離無線通信、光纖載太赫茲波通信系統(TOF)、寬帶無線安全接入、寬帶通信和高速信息網、空間通信、軍事保密通信等方面均有廣闊的應用前景［1，9］。

1)高速短距離無線通信。太赫茲波在空中傳播時極易被空氣中的水分吸收，因此，比較適合于短距離通信;輻射方向性好，可用于戰場中的短距離定向保密通訊;頻率高，波長相對更短，天線的尺寸可以更小，波束更窄、方向性更好，具有更強的抗干擾能力，可實現2～5 km內的保密通信。

2)光纖載太赫茲波通信系統(TOF)。太赫茲波在空氣傳播時，容易被水蒸氣強吸收，進行長距離傳輸時具有很大的損耗。并且，電磁輻射對人體安全的影響比較大。因此，實現了太赫茲波和光線之間轉換的光纖波導太赫茲波通信系統是未來應用場景之一。

3)寬帶無線安全接入。隨著通信業務的豐富，人們對室內寬帶無線通信寄托較高的期望。但目前無壓縮多媒體業務的帶寬已經達到GHz了，要想更寬的帶寬，就目前的無線通信技術而言無法勝任。太赫茲波的頻率高、帶寬寬，能夠滿足無線寬帶傳輸時對頻譜帶寬的需求。因此，寬帶無線安全接入將是太赫茲波通信的新場景。

4)寬帶通信和高速信息網。太赫茲波具有10 Gb/s以上的通信速率，方向性和穿透力強，帶寬寬，其頻率是目前無線移動通信頻率的1 000倍左右，是極好的寬帶信息載體，特別適合用于衛星之間、星地之間及局域網的寬帶移動通信和高速信息網絡。

5)空間通信。在外層空間，太赫茲波在350 μm、450 μm、620 μm、735μm和870 μm波長附近存在著相對透明的大氣窗口，能夠做到無損耗傳輸，極小的功率就可完成遠距離通信。并且，相對光通信而言，波束更寬，接收端容易對準，量子噪聲較低，天線終端可以小型化、平面化，因此，太赫茲波可廣泛應用于空間通信中。

6)軍事保密通信。太赫茲波具有短距離通信和良好傳輸介質特性的空間傳輸優勢，并且頻段高、帶寬寬，具有通信保密和抗干擾能力，特別適合應用在保密軍事通信。

4 結語

太赫茲通信技術的研究只有20年時間，很多關鍵器件還沒有研制成功，一些關鍵技術還不夠成熟，要應用到實際生活中，還需大量的研究工作要做。但太赫茲通信是一個極具應用前景的技術，隨著信息技術的發展和關鍵器件及關鍵技術的突破，太赫茲波通信技術必將給人類生活帶來深遠的影響。

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