什么是“太赫茲”？6G技術(shù)實(shí)現(xiàn)突破就靠它？

5G商用剛剛落地，6G研發(fā)工作正式啟動(dòng)的消息就已經(jīng)傳來。與6G同時(shí)進(jìn)入公眾視野的還有一項(xiàng)新技術(shù)，那就是“太赫茲”。太赫茲通信能夠提高信息傳輸速率，大幅提升網(wǎng)絡(luò)容量，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)6G的關(guān)鍵技術(shù)?！?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/太赫茲">太赫茲”究竟是什么呢？

首先我們要知道什么是電磁波。電磁波，就是電場(chǎng)和磁場(chǎng)的一種周期性的震動(dòng)，跟其他的波一樣，它也是可以攜帶能量的。電磁波在我們?nèi)粘Ｉ钪幸彩请S處可見的，比如說我們經(jīng)常用的手機(jī)，手機(jī)的通信就是利用微波，它也是電磁波譜中的一段。

電磁波的頻率決定了通信傳輸?shù)纳舷?，頻率越高意味著通信的速度就越快。THz波段便是國際上預(yù)測(cè)的下一代高速無線通信（6G）的關(guān)鍵。它的頻率范圍在0.1THz~10THz之間，介于微波和光波之間，這個(gè)區(qū)間也被稱為“THz間隙”，其頻譜區(qū)域提供了更高的可用帶寬，極高的頻率為為了更高的數(shù)據(jù)傳輸提供了可能。

太赫茲波的特性

太赫茲（Terahertz）中，“太”（Tera）是一種數(shù)量級(jí)前綴，即10的12次方，因此太赫茲即1000GHz的頻率。

相對(duì)于毫米波頻段（30GHz-300GHz）來說太赫茲頻段頻率更高，因此第一個(gè)潛在應(yīng)用就是做通信 —— 太赫茲做通信的主要優(yōu)勢(shì)在于可用帶寬較大，因此可以實(shí)現(xiàn)非常高速率的無線數(shù)據(jù)傳輸。也是有人認(rèn)為，太赫茲可能在6G通信中起到重要作用的原因。

· 指紋特性

物質(zhì)的太赫茲光譜包含著豐富的分子結(jié)構(gòu)信息。大部分物質(zhì)晶格的振動(dòng)以及分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)能級(jí)之間的躍遷都對(duì)應(yīng)于太赫茲波段范圍，每一種物質(zhì)在該波段透射-吸收光譜的位置、強(qiáng)度和形狀均不相同。

因此太赫茲光譜能反映分子種類和結(jié)構(gòu)的細(xì)微變化，使得它們具有類似指紋一樣的唯一特點(diǎn)，所以太赫茲光譜也稱為分子指紋譜。根據(jù)太赫茲波譜的分子指紋特性可以分析研究物質(zhì)成分、微觀結(jié)構(gòu)及其相互作用關(guān)系。

· 透視特性

根據(jù)已有的研究結(jié)果，太赫茲輻射對(duì)有極電介質(zhì)、無極電介質(zhì)及金屬導(dǎo)體的透射性有很大區(qū)別。有極電介質(zhì)存在等效的電偶極矩，金屬導(dǎo)體內(nèi)部則存在大量自由移動(dòng)的電荷，兩者與太赫茲波相互作用時(shí)會(huì)出現(xiàn)共振吸收，因此太赫茲波對(duì)這兩種物質(zhì)的穿透性很低。而無極電介質(zhì)對(duì)太赫茲波不會(huì)產(chǎn)生共振吸收效應(yīng)，從而具有很強(qiáng)的穿透性。

由此太赫茲成像可以將不同的材質(zhì)加以區(qū)分。很多包裝材料如塑料、紙箱、布料、木材等都屬于無極電介質(zhì)，但它們對(duì)可見光都是不透明的。故可結(jié)合相應(yīng)技術(shù)對(duì)不透明的物體進(jìn)行太赫茲透視成像，作為X射線和超聲等成像技術(shù)的補(bǔ)充，探測(cè)材料內(nèi)部缺陷和密封包裝內(nèi)的物品。

· 安全特性

根據(jù)公式 ε=hν，太赫茲波的光子能量只有毫電子伏特的數(shù)量級(jí)。例如頻率為1THz的光子能量為4.1meV，約為X射線光子能量的百萬分之一。該能量遠(yuǎn)低于各種化學(xué)鍵的鍵能，不會(huì)對(duì)物體尤其是生物組織引起有害的電離反應(yīng)。

由于水是極性物質(zhì)，所以水對(duì)太赫茲波有強(qiáng)烈的吸收，因此太赫茲輻射無法穿透人體的皮膚，對(duì)人體的影響只停留在皮膚表層，非常適用于針對(duì)人體或其他生物體的活體檢測(cè)。

太赫茲技術(shù)的應(yīng)用

太赫茲波綜合了電子學(xué)和光子學(xué)的優(yōu)越性能，具有很多不同于其他電磁波的特殊性質(zhì)。也正是這些特性，使之成為當(dāng)前科技界最熱鬧的前沿領(lǐng)域之一。

由于THz波的獨(dú)特性質(zhì)，它在物理、生物、化學(xué)、生物制藥、材料科學(xué)和電子工程等許多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，其在軍事和安全領(lǐng)域，太赫茲技術(shù)更是有著廣闊的應(yīng)用前景。

· 通信技術(shù)

太赫茲通信的應(yīng)用場(chǎng)景包括短距離高速無線通信、空間通信和復(fù)雜軍事環(huán)境條件下的保密通信等。

相對(duì)于微波通信而言：

太赫茲通信傳輸?shù)娜萘扛?。太赫茲波的頻段在108~1013Hz之間，可提供高達(dá)10GB/s的無線傳輸速率；

太赫茲波具有更好的保密性及抗干擾能力；

太赫茲波束更窄、方向性更好、可以探測(cè)更小的目標(biāo)以及更精確地定位；

由于太赫茲波波長相對(duì)更短，在完成同樣功能的情況下，天線的尺寸可以做得更小，其他的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以做得更加簡單、經(jīng)濟(jì)。

相對(duì)于光通信而言：

用光子能量約為可見光的1/40的THz波作為信息載體，能量效率更高；

THz波具有更好的穿透沙塵煙霧的能力，它可以實(shí)現(xiàn)全天候的工作。

目前太赫茲通信還處在關(guān)鍵器件的研究開發(fā)、太赫茲通信系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)方案的可行性論證以及實(shí)驗(yàn)室的研究與仿真演示階段，亟需研制高性能的太赫茲固態(tài)器件，解決太赫茲信號(hào)的調(diào)制和信號(hào)處理技術(shù)，并制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

THz通信技術(shù)應(yīng)用構(gòu)想圖：太赫茲鏈路應(yīng)用于基站間和設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸

因此，太赫茲通信技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更高速率的信息傳輸，搶占帶寬資源，這不僅具有很高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，還具有非常高的戰(zhàn)略意義。

太赫茲成像技術(shù)相對(duì)于可見光和X射線有非常強(qiáng)的互補(bǔ)特征，其穿透能力介于兩者之間，又不會(huì)對(duì)人體或生物組織造成傷害。太赫茲波在材料研究、安檢、生物和醫(yī)學(xué)中的各種成像應(yīng)用是目前開展得最廣泛的研究。

太赫茲波成像技術(shù)可以利用相位信息進(jìn)行成像，許多干電介物質(zhì)對(duì)太赫茲波段基本是透明的，但是折射率不同會(huì)引起太赫茲波相位的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同材料的鑒別。

例如使用太赫茲波成像技術(shù)在車站、機(jī)場(chǎng)對(duì)行李或旅客進(jìn)行安檢就非常理想，它可以準(zhǔn)確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等；對(duì)細(xì)胞水平的生物組織進(jìn)行成像，主要是測(cè)量不同組織及其含水量對(duì)太赫茲波的吸收引起能量的變化，例如皮癌即及其它組織表層病變的早期診斷等。

· 材料檢測(cè)技術(shù)

太赫茲技術(shù)非常適合于用來分析分子，可以通過太赫茲波激發(fā)并探測(cè)“分子振動(dòng)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)”來進(jìn)行光譜分析。它能有效地激發(fā)分子進(jìn)入各種共振模式，使分子振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)。在這一過程中，分子吸收能量，在光譜儀中生成某段頻率的吸收譜線，然后就可以據(jù)此判斷出其中含有那些分子。

由于太赫茲波有較強(qiáng)的穿透率，并且其光子能量低，只有幾個(gè)毫電子伏特，穿透時(shí)不易發(fā)生電離，因而可用于安全的無損檢測(cè)。尤其是對(duì)一些塑料泡沫等絕緣材料內(nèi)部的缺陷和裂紋等進(jìn)行無損檢測(cè)和成像，在戰(zhàn)略導(dǎo)彈及航空、航天結(jié)構(gòu)材料的檢測(cè)和評(píng)估方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

如對(duì)航天飛機(jī)燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷，已被美國宇航局選擇為發(fā)射中缺陷檢測(cè)的技術(shù)之一。美國使用了一套基于光學(xué)技術(shù)的太赫茲波系統(tǒng)，充分證明了太赫茲波可以對(duì)航天器燃料艙的隔熱材料進(jìn)行有效的無損探傷。

然而，太赫茲成為常規(guī)的主流通信技術(shù)仍然有不少問題需要克服。首先就是太赫茲頻段在城市等環(huán)境中的高損耗，意味著如果使用太赫茲通信的話通信距離不可能太遠(yuǎn)。此外，使用目前的太赫茲技術(shù)實(shí)現(xiàn)太赫茲電路的效率并不高，意味著基站等場(chǎng)合應(yīng)用太赫茲的功耗會(huì)比使用毫米波還要高。因此，我們認(rèn)為太赫茲通信或許更有可能首先落地在一些非蜂窩通信的場(chǎng)景下。

首先，太赫茲通信可能會(huì)應(yīng)用在短距離甚至超短距離通信上。短距離通信包括VR、手機(jī)、可穿戴設(shè)備之間的互相通信。在這樣的短距離通信中，無線傳輸?shù)膿p耗可控，因此如果出現(xiàn)需要超高帶寬的短距離傳輸，太赫茲技術(shù)將是一個(gè)可選項(xiàng)。

除了短距離之外，還有超短距離通信，例如電子元器件甚至芯片之間的無線數(shù)據(jù)傳輸。傳統(tǒng)上電子器件之間的數(shù)據(jù)傳輸大都采用有線的形式，例如在不同的器件之間通過PCIe這樣的方式。然而，在一些應(yīng)用場(chǎng)景下，使用有線接駁的方式會(huì)導(dǎo)致設(shè)計(jì)變得困難（物理接口需要占據(jù)空間），且可靠性較差，安裝較為困難（例如需要完全對(duì)準(zhǔn)才能完成安裝，在安裝完成后可能受到外力作用使接駁脫落等等）。

在這種情況下，使用沒有物理接口的太赫茲無線互聯(lián)將是一種可選項(xiàng)，它在能滿足數(shù)據(jù)傳輸率的同時(shí)，也減少了物理設(shè)計(jì)的尺寸，同時(shí)提高了可靠性（無需完全對(duì)準(zhǔn)即可完成數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸），其概念類似無接觸式充電相對(duì)傳統(tǒng)有線接口式充電的改進(jìn)，在最大發(fā)揮了太赫茲高數(shù)據(jù)率的優(yōu)勢(shì)外，同時(shí)避免了太赫茲高傳輸損耗的問題（因?yàn)榇祟悅鬏數(shù)木嚯x通常在毫米數(shù)量級(jí)）。

除了短距離通信外，太赫茲通信另一個(gè)可能的場(chǎng)景是太空環(huán)境中的通信 —— 在太空中，太赫茲的傳輸損耗大大小于城市環(huán)境中，因此太空中衛(wèi)星間使用太赫茲技術(shù)進(jìn)行高數(shù)據(jù)率互聯(lián)也是有不少人探索的領(lǐng)域。

太赫茲技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

目前太赫茲技術(shù)發(fā)展受到制約，那么它的難點(diǎn)或者限制它發(fā)展的原因最主要的是哪方面呢？

首先不能忽略的就是成本，太赫茲技術(shù)時(shí)域上是超快技術(shù)，必須基于更短脈沖的超快激光，那么激光源在價(jià)格上就已經(jīng)是一筆不小的數(shù)字，再加上激發(fā)介質(zhì)，晶體制作成本非常高。還有就是天線的半導(dǎo)體材料，這個(gè)屬于技術(shù)壟斷也是價(jià)格不菲。至于時(shí)域高能太赫茲源，air plasma國內(nèi)能提供的只有幾個(gè)頂級(jí)校所，頻域上的太赫茲源，價(jià)格比時(shí)域的更高。最后研究方向分為電子源和激光源兩個(gè)方向，一個(gè)倍頻，一個(gè)降頻，總之研究資金就是一道硬門檻。

第二個(gè)因素是技術(shù)因素。太赫茲技術(shù)到現(xiàn)在不過三十年的時(shí)間，由于時(shí)間積累經(jīng)驗(yàn)不夠多，所以很多技術(shù)瓶頸還沒有突破，比如天線的閾值功率問題、采樣頻率與頻率寬度矛盾等，另外器件和設(shè)備工藝技術(shù)也不夠發(fā)達(dá)。

第三個(gè)制約因素就是太赫茲本身的特點(diǎn)了。太赫茲輻射是一種特殊的低能光子，太赫茲位于激光和微波之間的波段，擁有兩者都有的一些特征，就像是波粒二象性一樣，我既像你又像他，但是還比你們兩都特殊。

太赫茲比激光和微波都有很多的優(yōu)勢(shì)（穿透性、指紋性、溫和性），能做激光和微波做不了的事情。太赫茲輻射可以從激光出生來，也可以從微波出生來，但是，它好像永遠(yuǎn)不能像激光或者微波那樣簡單地“生”出來。這個(gè)難度好比是兩個(gè)輻射產(chǎn)生難度之和，這個(gè)跟太赫茲的本性 —— 低能光子有關(guān)了。這個(gè)算是硬幣的另外一面吧。所有這些挑戰(zhàn)隨著大量研發(fā)投入之后可能都會(huì)得到好的解決辦法，再過個(gè)三十年也許太赫茲技術(shù)會(huì)像現(xiàn)在的激光技術(shù)一樣發(fā)達(dá)，按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢(shì)來看這個(gè)猜想很有可能。