李紀(jì)舟，蔣文濤

(1.解放軍91746部隊(duì)，北京102206;2.解放軍91635部隊(duì) 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(fā)［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(diǎn)，適合開展寬帶無線通信及空間通信。2004年，太赫茲技術(shù)被美國評為“改變未來世界的十大技術(shù)”之四，2005年，被日本列為“國家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首。太赫茲波通信技術(shù)將是下一代通信技術(shù)的基礎(chǔ)，具有廣闊的應(yīng)用前景，已成為世界各國發(fā)展研究的熱點(diǎn)。

1 太赫茲波通信技術(shù)

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(yuǎn)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(xué)與微觀光子學(xué)的過渡區(qū)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(tài)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(tài)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(chǎn)生方式有兩種:一是由相干電流驅(qū)動的偶極子振蕩產(chǎn)生，二是由相干的激光脈沖通過非線性光學(xué)差頻變換產(chǎn)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(dāng)于X射線光子能量的1%，不易破壞被檢測的物質(zhì);⑤穿透性:太赫茲波能以較小的衰減穿透物質(zhì)，能對不透明物體進(jìn)行透視成像。

1.2 太赫茲波通信及特點(diǎn)

太赫茲波通信是指用太赫茲波作為信息載體進(jìn)行的通信，集成了微波通信與光通信的特點(diǎn)［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(shù)的幾百甚至上千倍。

2)方向性強(qiáng)。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(fēng)、沙塵以及濃煙等惡劣的環(huán)境下以極高的帶寬進(jìn)行定向通信。目前國際電聯(lián)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(fā)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(yán)重，傳輸距離較短，不適合地面遠(yuǎn)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(zhàn)場通信，可實(shí)現(xiàn)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(yōu)勢，研制通信距離在5千米左右的近距離戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)。

4)性價(jià)比好。太赫茲波的波長比較短，收發(fā)天線的尺寸小，通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、可靠，并且經(jīng)濟(jì)，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(tǒng)組成架構(gòu)

目前研究中的太赫茲波通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有三種典型的發(fā)射子系統(tǒng)和兩種接收子系統(tǒng)［2－3］:

1)全電子器件發(fā)射子系統(tǒng)如圖2所示，該系統(tǒng)是基于電子器件的系統(tǒng)，由RF電信號發(fā)生器、電調(diào)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(chǎn)生，或由30～100 GHz的微波/毫米波發(fā)生器合成。

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

2)光電子器件發(fā)射子系統(tǒng)如圖3所示，該子系統(tǒng)利用光電子器件實(shí)現(xiàn)太赫茲信號的產(chǎn)生和調(diào)制，兩個紅外激光器產(chǎn)生兩束光信號，通過光學(xué)外差法，利用單行載流子光電二極管(UTC－PD)轉(zhuǎn)換為太赫茲波信號。該結(jié)構(gòu)系統(tǒng)一般工作在1 THz以下，基于1.55 μm遠(yuǎn)距離通信平臺。

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

3)太赫茲激光器系統(tǒng)如圖4所示，這是一個基于半導(dǎo)體激光器的系統(tǒng)，如量子級聯(lián)激光器(QCL)，可以產(chǎn)生1 THz以上的太赫茲信號。通過外調(diào)制器，QCL可實(shí)現(xiàn)調(diào)制頻率在10 GHz以上的直接調(diào)制［4］。

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

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

4)直接探測系統(tǒng)如圖5所示，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，主要用于1～10 THz信號接收。

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

5)相干探測系統(tǒng)如圖6所示，該系統(tǒng)結(jié)復(fù)雜，靈敏度高，可以探測頻率調(diào)制和相位調(diào)制的微弱太赫茲信號。

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

1.4 太赫茲波通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

目前，正在研究中的太赫茲波通信關(guān)鍵技術(shù)主要包括［4－5］:

1)關(guān)鍵器件技術(shù)。主要包括:常溫下可連續(xù)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(shù);太赫茲波傳輸器件如傳輸波導(dǎo)、諧振系統(tǒng)等。其中，高效太赫茲輻射源技術(shù)是當(dāng)前最基本、最關(guān)鍵和最急迫的技術(shù)。

2)高速率信號調(diào)制技術(shù)。太赫茲頻段非常寬，適合高速率的信號傳輸，速率可達(dá)10 Gb/s以上，超過了電調(diào)制方式，傳統(tǒng)的無線通信電調(diào)制技術(shù)已不適用，必須針對太赫茲波通信和網(wǎng)絡(luò)中的調(diào)制編碼、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究。

3)太赫茲波信號放大技術(shù)。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(jù)所選定的太赫茲波通信頻段，解決信號放大技術(shù)問題。

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

5)天線收發(fā)技術(shù)。太赫茲波輻射的功率比較低，為了保證通信質(zhì)量，天線總體結(jié)構(gòu)要緊湊、輕巧、穩(wěn)定可靠。高增益的太赫茲天線輻射技術(shù)是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。

6)寬帶大容量信息處理技術(shù)。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(shù)也是需要研究的關(guān)鍵技術(shù)。

7)太赫茲波的捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)(APT)技術(shù)。太赫茲波在低頻段的波束發(fā)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(tǒng)，接收到的太赫茲波信號會產(chǎn)生較大誤差，無法正常通信。因此，APT技術(shù)也是太赫茲波通信技術(shù)必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)。

8)太赫茲波通信系統(tǒng)總體技術(shù)。由于太赫茲波處于光學(xué)理論和電子學(xué)理論的交叉地帶，其通信技術(shù)體制應(yīng)有別于現(xiàn)有通信技術(shù)體制，需要開展相關(guān)研究。

2 太赫茲波通信技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前太赫茲波通信技術(shù)的研究主要集中在:太赫茲波輻射源技術(shù)、太赫茲波信號調(diào)制技術(shù)、太赫茲波信號探測技術(shù)、天線技術(shù)、太赫茲波通信系統(tǒng)總體技術(shù)等［6］。

2.1 太赫茲波輻射源技術(shù)

2.1.1 半導(dǎo)體太赫茲波輻射源

半導(dǎo)體太赫茲波輻射源一般體積小、可調(diào)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(lián)激光器(QCL)等。其中，QCL以異結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體(GaAs/AIGaAs)的導(dǎo)帶中的次能級間的躍遷為基礎(chǔ)，利用縱向光學(xué)聲子的諧振產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的一種激光器，是正在研究的重點(diǎn)器件。1994年，F(xiàn)ederico Capasso等人率先發(fā)明QCL。2000年，中國率先研制出5至8微米波段半導(dǎo)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(dá)到了2.1 THz、連續(xù)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(fā)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(dá)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(dǎo)體激光器，使光波準(zhǔn)直性能與傳統(tǒng)太赫茲光源相比顯著改善。中國科學(xué)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(xué)開發(fā)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(tuán)隊(duì)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(yīng)工作的納米器件，也是目前正在研究的關(guān)鍵器件之一。2013年12月16日，日本開發(fā)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(xué)和光子學(xué)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(chǎn)生的。其中，利用超短激光脈沖產(chǎn)生輻射波是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，主要有兩種方式:①利用瞬時光電導(dǎo)。即在光電導(dǎo)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(dǎo)半導(dǎo)體材料，會瞬時在表面產(chǎn)生大量電子空穴對，形成光電流，進(jìn)而產(chǎn)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(zhì)，使超快激光脈沖進(jìn)行二階非線性光學(xué)過程或者高階非線性光學(xué)過程來產(chǎn)生太赫茲電磁脈沖。目前已經(jīng)發(fā)展了很多基于飛秒激光脈沖和非線性光學(xué)晶體的太赫茲激光源。如太赫茲光導(dǎo)天線、非線性差頻、光整流、太赫茲參量振蕩器和光學(xué)Cherenkov輻射和放大器(TPG，TPO，TPA)等等。

2.1.3 真空電子學(xué)太赫茲波輻射源

真空電子學(xué)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(diào)管、太赫茲回旋管、太赫茲返波振蕩器(BWO)、擴(kuò)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(huán)太赫茲輻射源。其中，F(xiàn)EL的頻譜連續(xù)可調(diào)、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(chǎn)生l kW的準(zhǔn)連續(xù)波。儲存環(huán)太赫茲輻射源，可產(chǎn)生0.03～30 THz的太赫茲波，亮度超過現(xiàn)有輻射源9個數(shù)量級。

2)太赫茲波納米速調(diào)管。該器件將微電子加工技術(shù)、納米技術(shù)和真空電子器件技術(shù)融合在一起，能產(chǎn)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(diǎn)。目前，美國研制出頻率為0.3 ～3.0 THz，當(dāng)工作電壓為500 V時，連續(xù)波輸出功率可高達(dá)50 mW的納米速調(diào)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(chǎn)生高脈沖功率，可達(dá)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(shù)百瓦。日本Fukui大學(xué)研制出了0.889 THz，輸出功率達(dá)數(shù)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(dá)10 kW。我國成都電子科技大學(xué)分別于2008年和2009年在國內(nèi)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(jīng)典電真空微波源慢波器件。俄羅斯研制的BWO可以產(chǎn)生180～1 110 GHz、輸出功率3～50 mW的電磁輻射。美國NASA正在開發(fā)工作頻率300 GHz～1.5 THz的 BWO。

5)擴(kuò)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(jī)械調(diào)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(yīng)用。

2.1.4 太赫茲波發(fā)射子系統(tǒng)的其他技術(shù)

1)太赫茲波真空放大器。2013年12月，美國國防部高級研究計(jì)劃局使用微型真空集熱管，設(shè)計(jì)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(xué)利用表面等離極化激元(plasmonpolariton)技術(shù)，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(shù)。2013年3月，佐治亞理工學(xué)院提出研制石墨烯天線構(gòu)想，希望在一年內(nèi)制造出模型，實(shí)現(xiàn)短距離內(nèi)無線數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)到兆兆位/秒。石墨烯(Graphene)是一種由碳原子構(gòu)成的單層片狀結(jié)構(gòu)的新材料，呈蜂窩狀點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)，是目前已知導(dǎo)電性能最出色的材料，導(dǎo)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(yuǎn)超目前常規(guī)的MHz、GHz天線。

2.2 太赫茲波信號調(diào)制技術(shù)

2003年，Kersting等人利用 AIGaAs/GaAs量子阱實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下的太赫茲波信號的相位調(diào)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(tǒng)帶寬20 kHz的調(diào)制解調(diào)器。2006年Chen等人利用周期結(jié)構(gòu)的人工復(fù)合媒質(zhì)，實(shí)現(xiàn)電壓幅度調(diào)制，幅度調(diào)制率達(dá)到50%。2009年，H.T.Chen等提出了線性電控超材料相位調(diào)制器，外加16 V偏壓時，在0.81 THz頻點(diǎn)處，材料透射系數(shù)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(diǎn)處，可實(shí)現(xiàn) π/6的相移。2012年11月，諾特丹大學(xué)研發(fā)了用石墨烯設(shè)計(jì)的寬帶太赫茲波調(diào)制器，可以在很大的頻率范圍內(nèi)調(diào)制太赫茲波，處理能力是之前的太赫茲寬帶調(diào)制器的兩倍多。目前，美國正嘗試?yán)秒姶挪ù骐娏餍盘栔圃煨滦吞掌澆ㄐ盘栒{(diào)制器，期望傳輸速率達(dá)到每秒萬億字節(jié)，比目前的電流調(diào)制系統(tǒng)快100倍。

2.3 太赫茲波信號探測技術(shù)

2.3.1 傳統(tǒng)探測技術(shù)

基于傳統(tǒng)手段的探測技術(shù)主要有超導(dǎo)混頻技術(shù)(SIS)、熱電子測熱電阻(HEB)混頻技術(shù)和肖特基勢壘二極管(SBD)技術(shù)。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(dá)5 THz，噪聲溫度約為量子極限的10倍。目前，SBD技術(shù)運(yùn)用的比較廣泛，可用在4～300 K溫度內(nèi)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(dá)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(shù)

目前研究的時域光譜探測技術(shù)主要包括［7］:①光電導(dǎo)相干探測技術(shù)，使用光電導(dǎo)半導(dǎo)體天線進(jìn)行接收，利用探測光在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的光電流與太赫茲驅(qū)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(shù);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(qiáng)的激光束通過延遲成為泵浦光，激發(fā)發(fā)射器產(chǎn)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(zhuǎn)變成探測光強(qiáng)的變化，再用平衡二極管接收并輸入鎖相放大器，然后再經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和顯示。

2.3.3 啁啾脈沖光譜儀探測技術(shù)

該技術(shù)產(chǎn)生自傳統(tǒng)的太赫茲互相關(guān)探測技術(shù)，克服了互相關(guān)技術(shù)中測量速度較慢的缺點(diǎn)，時間分辨率與信噪比較高［8］。但是，由于該技術(shù)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(fā)生了畸變。

2.3.4 量子阱探測器(QWP)

QWP是應(yīng)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(nèi)光致激發(fā)，將導(dǎo)帶阱內(nèi)的束縛態(tài)電子激發(fā)到連續(xù)態(tài)。它一般采用GaAs/AIGaAs材料，具有較強(qiáng)的光譜分辨率，是一種窄帶探測器。

2.4 太赫茲波通信系統(tǒng)技術(shù)

2007年，日本研制出0.12 THz、調(diào)制為 ASK、11.1 Gb/s的全固態(tài)太赫茲波通信系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)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(yīng)用于2008年的北京奧運(yùn)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(tǒng)。2009年，加拿大完成了基于 QCL和QWP的全光學(xué)通信鏈路演示實(shí)驗(yàn)，通信頻點(diǎn)為3.8 THz。2010年，德國研制了300 GHz信道測量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了96 Mb/s的DVB－S2數(shù)字信號的傳輸，傳輸距離達(dá)到了52 m。2010年，中國利用QCL作為發(fā)射源，光導(dǎo)型QWP作為探測器，實(shí)現(xiàn)了太赫茲無線音頻信號的傳輸，系統(tǒng)帶寬580 kHz左右，頻率4.1 THz，傳輸距離達(dá)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(tǒng)，完成了0.5 km無線傳輸實(shí)驗(yàn)(軟件解調(diào))，突破2 Gb/s實(shí)時解調(diào)、均衡與譯碼技術(shù)，調(diào)試成功2 Gb/s 16 QAM的實(shí)時解調(diào)樣機(jī)。2011年完成了0.14 THz、1.5 km的2 Gb/s無線傳輸實(shí)時解調(diào)實(shí)驗(yàn)和10 Gb/s的軟件解調(diào)實(shí)驗(yàn)。2011年11月，羅姆和大阪大學(xué)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(shí)現(xiàn)300 GHz、1.5 Gb/s的無線通信系統(tǒng)。2012年，他們又搭建了2.4 m通信鏈路，最大傳輸速率可達(dá)5 Mb/s，系統(tǒng)延時為220 ns。2012年，中國研制出了國內(nèi)首部基于光電結(jié)合的0.1 THz全固態(tài)高速無線通信系統(tǒng)，傳輸速率可達(dá)11 Gb/s。2013年，中國完成了3.9 THz波的實(shí)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(yàn)系統(tǒng)。同年10月，又創(chuàng)建了一個工作在237.5 GHz頻率的無線通信系統(tǒng)，創(chuàng)下了100 Gb/s的無線數(shù)據(jù)傳輸速率記錄。

3 太赫茲波通信技術(shù)應(yīng)用展望

太赫茲波以其獨(dú)有的特性，使太赫茲波通信比微波和光通信擁有許多優(yōu)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(tǒng)(TOF)、寬帶無線安全接入、寬帶通信和高速信息網(wǎng)、空間通信、軍事保密通信等方面均有廣闊的應(yīng)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(zhàn)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(qiáng)的抗干擾能力，可實(shí)現(xiàn)2～5 km內(nèi)的保密通信。

2)光纖載太赫茲波通信系統(tǒng)(TOF)。太赫茲波在空氣傳播時，容易被水蒸氣強(qiáng)吸收，進(jìn)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(shí)現(xiàn)了太赫茲波和光線之間轉(zhuǎn)換的光纖波導(dǎo)太赫茲波通信系統(tǒng)是未來應(yīng)用場景之一。

3)寬帶無線安全接入。隨著通信業(yè)務(wù)的豐富，人們對室內(nèi)寬帶無線通信寄托較高的期望。但目前無壓縮多媒體業(yè)務(wù)的帶寬已經(jīng)達(dá)到GHz了，要想更寬的帶寬，就目前的無線通信技術(shù)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(wǎng)。太赫茲波具有10 Gb/s以上的通信速率，方向性和穿透力強(qiáng)，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(wèi)星之間、星地之間及局域網(wǎng)的寬帶移動通信和高速信息網(wǎng)絡(luò)。

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(yuǎn)距離通信。并且，相對光通信而言，波束更寬，接收端容易對準(zhǔn)，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(yīng)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(zhì)特性的空間傳輸優(yōu)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(yīng)用在保密軍事通信。

4 結(jié)語

太赫茲通信技術(shù)的研究只有20年時間，很多關(guān)鍵器件還沒有研制成功，一些關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟，要應(yīng)用到實(shí)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(yīng)用前景的技術(shù)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展和關(guān)鍵器件及關(guān)鍵技術(shù)的突破，太赫茲波通信技術(shù)必將給人類生活帶來深遠(yuǎn)的影響。

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