什么是“太赫茲”？6G技術實現(xiàn)突破就靠它？

5G商用剛剛落地，6G研發(fā)工作正式啟動的消息就已經(jīng)傳來。與6G同時進入公眾視野的還有一項新技術，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)絡容量，被認為是實現(xiàn)6G的關鍵技術。“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，就是電場和磁場的一種周期性的震動，跟其他的波一樣，它也是可以攜帶能量的。電磁波在我們日常生活中也是隨處可見的，比如說我們經(jīng)常用的手機，手機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波段便是國際上預測的下一代高速無線通信（6G）的關鍵。它的頻率范圍在0.1THz~10THz之間，介于微波和光波之間，這個區(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)量級前綴，即10的12次方，因此太赫茲即1000GHz的頻率。

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

· 指紋特性

物質的太赫茲光譜包含著豐富的分子結構信息。大部分物質晶格的振動以及分子的轉動和振動能級之間的躍遷都對應于太赫茲波段范圍，每一種物質在該波段透射-吸收光譜的位置、強度和形狀均不相同。

因此太赫茲光譜能反映分子種類和結構的細微變化，使得它們具有類似指紋一樣的唯一特點，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成分、微觀結構及其相互作用關系。

· 透視特性

根據(jù)已有的研究結果，太赫茲輻射對有極電介質、無極電介質及金屬導體的透射性有很大區(qū)別。有極電介質存在等效的電偶極矩，金屬導體內部則存在大量自由移動的電荷，兩者與太赫茲波相互作用時會出現(xiàn)共振吸收，因此太赫茲波對這兩種物質的穿透性很低。而無極電介質對太赫茲波不會產(chǎn)生共振吸收效應，從而具有很強的穿透性。

由此太赫茲成像可以將不同的材質加以區(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，但它們對可見光都是不透明的。故可結合相應技術對不透明的物體進行太赫茲透視成像，作為X射線和超聲等成像技術的補充，探測材料內部缺陷和密封包裝內的物品。

· 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。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。該能量遠低于各種化學鍵的鍵能，不會對物體尤其是生物組織引起有害的電離反應。

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

太赫茲技術的應用

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

由于THz波的獨特性質，它在物理、生物、化學、生物制藥、材料科學和電子工程等許多領域得到了應用，其在軍事和安全領域，太赫茲技術更是有著廣闊的應用前景。

· 通信技術

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

相對于微波通信而言：

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、可以探測更小的目標以及更精確地定位；

由于太赫茲波波長相對更短，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)結構也可以做得更加簡單、經(jīng)濟。

相對于光通信而言：

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，它可以實現(xiàn)全天候的工作。

目前太赫茲通信還處在關鍵器件的研究開發(fā)、太赫茲通信系統(tǒng)整體結構方案的可行性論證以及實驗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，解決太赫茲信號的調制和信號處理技術，并制定相應的技術標準。

THz通信技術應用構想圖：太赫茲鏈路應用于基站間和設備間的數(shù)據(jù)傳輸

因此，太赫茲通信技術可以實現(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)濟價值，還具有非常高的戰(zhàn)略意義。

太赫茲成像技術相對于可見光和X射線有非常強的互補特征，其穿透能力介于兩者之間，又不會對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)學中的各種成像應用是目前開展得最廣泛的研究。

太赫茲波成像技術可以利用相位信息進行成像，許多干電介物質對太赫茲波段基本是透明的，但是折射率不同會引起太赫茲波相位的變化，從而實現(xiàn)對不同材料的鑒別。

例如使用太赫茲波成像技術在車站、機場對行李或旅客進行安檢就非常理想，它可以準確地檢查刀具、槍支、炸藥及非法藥品毒品等；對細胞水平的生物組織進行成像，主要是測量不同組織及其含水量對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。

· 材料檢測技術

太赫茲技術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“分子振動旋轉狀態(tài)”來進行光譜分析。它能有效地激發(fā)分子進入各種共振模式，使分子振動或轉動。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的穿透率，并且其光子能量低，只有幾個毫電子伏特，穿透時不易發(fā)生電離，因而可用于安全的無損檢測。尤其是對一些塑料泡沫等絕緣材料內部的缺陷和裂紋等進行無損檢測和成像，在戰(zhàn)略導彈及航空、航天結構材料的檢測和評估方面具有重要的應用價值。

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

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。此外，使用目前的太赫茲技術實現(xiàn)太赫茲電路的效率并不高，意味著基站等場合應用太赫茲的功耗會比使用毫米波還要高。因此，我們認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景下。

首先，太赫茲通信可能會應用在短距離甚至超短距離通信上。短距離通信包括VR、手機、可穿戴設備之間的互相通信。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，太赫茲技術將是一個可選項。

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，在一些應用場景下，使用有線接駁的方式會導致設計變得困難（物理接口需要占據(jù)空間），且可靠性較差，安裝較為困難（例如需要完全對準才能完成安裝，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，它在能滿足數(shù)據(jù)傳輸率的同時，也減少了物理設計的尺寸，同時提高了可靠性（無需完全對準即可完成數(shù)據(jù)互聯(lián)傳輸），其概念類似無接觸式充電相對傳統(tǒng)有線接口式充電的改進，在最大發(fā)揮了太赫茲高數(shù)據(jù)率的優(yōu)勢外，同時避免了太赫茲高傳輸損耗的問題（因為此類傳輸?shù)木嚯x通常在毫米數(shù)量級）。

除了短距離通信外，太赫茲通信另一個可能的場景是太空環(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進行高數(shù)據(jù)率互聯(lián)也是有不少人探索的領域。

太赫茲技術發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

目前太赫茲技術發(fā)展受到制約，那么它的難點或者限制它發(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，太赫茲技術時域上是超快技術，必須基于更短脈沖的超快激光，那么激光源在價格上就已經(jīng)是一筆不小的數(shù)字，再加上激發(fā)介質，晶體制作成本非常高。還有就是天線的半導體材料，這個屬于技術壟斷也是價格不菲。至于時域高能太赫茲源，air plasma國內能提供的只有幾個頂級校所，頻域上的太赫茲源，價格比時域的更高。最后研究方向分為電子源和激光源兩個方向，一個倍頻，一個降頻，總之研究資金就是一道硬門檻。

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

第三個制約因素就是太赫茲本身的特點了。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（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，它好像永遠不能像激光或者微波那樣簡單地“生”出來。這個難度好比是兩個輻射產(chǎn)生難度之和，這個跟太赫茲的本性 —— 低能光子有關了。這個算是硬幣的另外一面吧。所有這些挑戰(zhàn)隨著大量研發(fā)投入之后可能都會得到好的解決辦法，再過個三十年也許太赫茲技術會像現(xiàn)在的激光技術一樣發(fā)達，按照現(xiàn)在的發(fā)展趨勢來看這個猜想很有可能。