关于太赫兹通信技术的综合分析探讨

摘要： THz波段和脉冲光源的认识是在激光技术发展的中后期被人们所逐渐了解的，太赫兹波地频宽较高，而且目前在公开的应用领域还没有进行广泛的频带分配，太赫兹波本身具备着高效的传输速率和极低的散射性，而且安全度相对较高，可以说是一种具有巨大应用前景的通信技术。目前太赫兹通信技术在国内外逐渐被重视，相关的研究也逐渐的深入，形成大致的系统框架。主要阐述太赫兹技术的原理及太赫兹波的基本理论，分析太赫兹通信技术的应用优势及发展成果，并对未来的推广应用做以展望。

关键词： 太赫兹波；通信技术；应用；展望

中图分类号：O441.4文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0720034－02

1 太赫兹波及其相关通信技术的概念

太赫兹波是一种电磁波，其电磁皮率在0.1-10THz之间，波长在2mm-30μm之间。太赫兹的概念出现较早，但是正式命名是在上世纪的80年代中后期，由于太赫兹波和电磁波、红外射线都属于电磁波，传统的电磁波理论并没有重视太赫兹波地有点，而且在被正式命名之前，太赫兹波一直被归为远红外线的范畴。90年代后太赫兹波特点逐渐被发现，但是当时还由于技术和材料等限制因素没有得到较好的发展，最后太赫兹波被明确的划分为区别于微波和红外射线的一类电磁波。

太赫兹波技术的应用随着电磁波波源和光源的稳定，其应用也逐渐广泛，早年限制太赫兹波发展的原因也主要在此，由于太赫兹波的长波段是微米级波，主要以电子技术支撑。而短波波段与红外线重合，以来光子技术支撑。当前的技术水平已经能够满足太赫兹波地波源稳定性，其稳定的传输效果及高效的抗噪性表现出高度的应用优势。在通信传输方面，太赫兹具有瞬态性、宽带性、低能性、高穿透性的特点，这使太赫兹波表现出比传统微波和光波更具优势的传输水平，其技术优势十分明显。而且太赫兹波地皮秒量级脉宽使其很容易进行实践分辨，能够实现背景辐射噪音的有效一致，周期的电子震荡使得频宽的覆盖范围极广，总之太赫兹波地各类特性使得其应用不仅体现在通信领域，还能够有效应用于生物监测、环境监测等方面，近年来其研究也成为国内外的关注重点，各类研究成果都在不断的发展和完善。

2 太赫兹波地主要研究成果

由于本文主要讨论太赫兹波在通信方面的应用研究，因此在成果方面也主要围绕了太赫兹波的波源、调制技术以及脉冲规律方面的研究成果。

1）太赫兹波辐射源。目前世界范围内关于太赫兹波地产生源的种类主要有两种：第一种是半导体太赫兹辐射源，这种辐射源有相对较小的体积，调试和使用起来都比较方便，较为常见的有Impatt、Gun振荡器，光子产生方面有QCL等。THz量子级联激光器是主流的发展趋势，最早的较为成功的量子级联激光器是一种频率为4.4THz，功率约为2mW的量子激光器，后期的一些研究中逐渐降低频率，并提升了脉冲的功率，目前最高的可以到达200mW的脉冲功率，并且已经出现了太赫兹成像技术。第二种是基于光学和光子学的太赫兹辐射源，较为常见的是利用超短激光脉冲来产生THz辐射，利用瞬间的光电导可以产生太赫兹脉冲，所用到的导电材料是在半导体材料便面沉寂金属，从而制成偶极天线电极结构，飞秒激光照射光雕材料会在表面瞬间产生大量的自由电子空穴对，在电厂和光生载流子的加速作用下形成光电流，从而产生太赫兹电磁辐射脉冲。除了这两类辐射源之外还有一种相对应用较少的真空电子学辐射源，这种辐射源的电子激光器偏大，但是频谱连续可调，范围和峰值功率及平均频率都比较大，但由于相关研究较少，应用也不广泛，目前已有的几种类型的真空电子学辐射源所达到的输出攻略与半导体辐射源还存在着较大的差距。

2）太赫兹波调制技术。太赫兹波地调试技术对于太赫兹通信来说具有十分重要的意义，最早在03年国外就有研究小组分别通过半导体结构和电控结构来研发太赫兹调制器，但当时的调制器所能控制的效果较低，应用程度也有不足，只能工作在低于80k的温度下。近期有通过电磁波代替电流信号的信号调制方法，不但能够适应较高的工作温度，而且信号的传输速度也有了大幅提升。通过大量的研究结果对比发现，太赫兹波通过传统的技术很难进行控制，目前只能通过间接的方法来检测太赫兹波地震荡，因此目前来说较具优势的控制方法还是通过高频电磁波进行调制控制。目前世界上较为知名的是日本NTT公司的120GHz毫米波无线通信技术，其能够实现小于10m的进程传输和大于1km的远程通信，其载波的初始光源是单模信号半导体激光器，通过调制器将单模脉冲展开成多模激光束，然后将其引入到半导体回路中，光栅会将不同模式的光分开，进入不同的通道，耦合器再将相邻的激光束耦合，静放大后就得到了压太赫兹载波。

3）脉冲规律的研究。太赫兹波的波长相对于红外射线来说较长，在空间传输过程中容易发生衍射，大量的研究表明，太赫兹波在介质中传播时，介质的散射颗粒越小，散射系数越大；散射介质的厚度越大，太赫兹波的穿透脉冲强度越低，而且脉冲本身受空间结构和时间波形影响。THz波在无线传输中也会手空气中极性分子，例如水等的吸收，从而产生一定的信号衰减现象，但是相比与红外射线来说，仍旧拥有影响率低的优势。就其在通信领域的应用来看，太赫兹波的信号波长需要进行控制，因为受衍射的影响过大的话会提升系统设计的复杂程度，尤其是在发生器中进行太赫兹波耦合到空间或者探测器将空间中的他合资波耦合都可能会破坏波束的性质。因此在当前的应用中，太赫兹波通常借助在发生器和探测器的背面聚焦透镜的中心设计天线衬底，这样可以消除衍射效应和界面反射。

3 太赫兹通信技术的应用优势及存在的问题

太赫兹通信技术运用了太赫兹波，因其传输稳定且传输效率很高的特征使其信号传输优势高于传统的微波和光波，相比微波而言：太赫兹波的容量更大，频带更宽，太赫兹波频段的理论宽度要高出微波1-4个数量级，就无线通信传输的速率而言，太赫兹波地传输速率最高可以达到10GB/s，其传输速率相对微波来说已经有了质的飞跃；太赫兹波的波长相对较短，波束较窄，因此在传输过程中的方向性更高，传输更为精确，也能够大大降低天线的设计尺寸，提升整体的系统经济性；太赫兹波的波长和频率特征也使其抗干扰能力和保密性相对较高。相比光波而言：太赫兹波地穿透性更强，对于多样化传输介质的适应性更强，对于无线通信来说具有更为高效的传输效果，可以最大程度的避免天气原因对传输效果的影响；而且太赫兹波地能量载体较低，换个角度来说就是具有比光波更高的能量利用率，比光波的优势更大。总体来说，只要能够保证太赫兹波辐射源的稳定性，就能提供穿透性、传输效率、能量利用率、灵敏度更高的波形，这对于无线通信技术的应用发展有这突破性的提升。

从太赫兹的特征来看，其应用于短距离的无线通信和卫星通信都具有很高的优势，但当前技术不能很好的保证太赫兹波在大气中传输的稳定频段，而且即使控制在稳定的频段，当前在通信领域也没有十分完善的调制技术来进行波段的控制。另一方面，由于太赫兹波对于信号的载波功率很低，而通信技术要求的载波功率通常要高于实际的太赫兹载波，如果要进行改善就必须有一套科学的太赫兹波信号放大技术来进行支撑，但是目前还没有一种完善的太赫兹波放大与缩小技术。最后在太赫兹波地通信质量上而言，虽然目前已经存在有较为稳定的太赫兹波辐射源，但是就实际的通信应用而言，其稳定性还远无法满足实际的需要，因此需要有更为稳定的发射源、更为高效的调制技术、更为灵敏的接收技术和增益技术才能更好的支持太赫兹波通信技术的发展。

具体来说目前太赫兹通信技术还存在着频率不足、传输性能不足、调制和探测技术不成熟几个大的问题，应为实际应用中太赫兹通信技术需要满足通信系统的额输出功率要求，在保证辐射源的实效性和可应用性的同时，还要不断提升太赫兹波本身的频率，从而达到短距离高速通信和空间通信的实际要求。传输性能也是太赫兹研究中的一个弱项，由于目前对于太赫兹波传输性质的研究上还存在一定的理论缺陷，这也导致了起应用趋势的明确性不足，反而容易影响其传输性能的研究。调制和探测技术一方面保证信号波束的稳定性，另一方面也降低了传输性能的压力，但研究领域的理论和实验不足使得调制技术、调制设备、探测技术及探测设备的研究和生产还存在一定的缺陷。

4 太赫兹通信技术的应用前景及展望

就太赫兹波通信技术的特点来看，其对于无线通信网络的支持颇具优势，但是在一些高频率波段的眼神还有所不足，但其更适合于短距离通信和有良好传输介质特性的空间传输。短距离传输的优势再加之高传输频率使其很有可能代替目前的蓝牙和无限局域网，空间传输则非常利于天气预报、卫星通信、太空雷达等实际应用，太赫兹波虽然在大气中的传输很容易受到影响，但在外层空间集合可以做到无损传输，通过极低的频率就可以实现超远距离传输。太赫兹通信技术在军事应用方面也具有不可忽视的价值，利用太赫兹波能量集中、方向性强等特点所制作的战场雷达和跟踪雷达都有传统通信方式不可比拟的优势，而且在实际的作战中，太赫兹波受空气影响所产生的通信距离较短的特性也非常适合配合隐形战机等作战设备形成隐形作战系统，具有很好的隐蔽通信特性。

从我们的实际应用来说，太赫兹通信技术的应用很有可能带来无线宽带接入技术的空前变革，虽然太赫兹波存在着一定的传输限制，但是传统的无线接入技术都已经逐渐无法满足现有的网络传输要求，无法承载一些高传输速率和数据量，但太赫兹波地传输频率和功率显然可以满足这种需求，其本身就是一种很好的宽带信息载体，利用这种通信技术，甚至可以实现航空航天无限通信，这对于新信息时代的发展有着明显的推动作用。

就国内外的发展来看，太赫兹通信技术的研究已经被高度重视，国内外都有许多新的研究成果，而且目前国内外的研究者和组织都注重几个方面的研究：一是更为稳定的太赫兹波发射源，二是传输控制和调制方式，三是信号的探测和接收技术，四是太赫兹波传输稳定性。这四个研究方向对于太赫兹通信技术的发展来说都有实际的影响意义，无论是民用通信、军事通信还是空间通信领域都有着更为实际的应用前景，为未来的高速无线通信技术提供了发展的可能。而对我国来说，太赫兹通信的发展也填补了300GHz以上带宽的空白，对于无线网络的发展提供技术和战略上的支持，太赫兹通信技术必然是未来通信系统技术中的主流，未来技术和硬件上的提升，也必然会使太赫兹通信技术的许多概念化设计成为现实，使其成为未来光速时代的核心通信技术。

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