太赫兹通信技术研究进展及空间应用展望.docx

太赫兹通信技术研究进展及空间应用展望.docx

《太赫兹通信技术研究进展及空间应用展望.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太赫兹通信技术研究进展及空间应用展望.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

太赫兹通信技术研究进展及空间应用展望

太赫兹通信技术研究进展及空间应用展望①

李欣，徐辉，禹旭敏，朱正贤

【摘要】摘要:

太赫兹波具有频带宽、传输速率高、方向性好、安全性高、散射小及高穿透性等特性。

近些年天体物理学，行星和地球科学研究的任务增多促进了太赫兹源和系统的不断发展。

文章介绍和分析了太赫兹通信的一些关键技术和最新研究成果;同时，对太赫兹的技术发展趋势和应用前景做了展望。

【期刊名称】空间电子技术

【年（卷）,期】2013（000）004

【总页数】5

【关键词】关键词:

太赫兹波太赫兹通信太赫兹空间通信

0引言

太赫兹波泛指频率在0.1THz～10THz波段内的电磁波，其处于宏观经典理论向微观量子理论、电子学向光子学的过渡区域。

频率上它要高于微波，低于红外线;能量大小则在电子和光子之间。

太赫兹波的皮秒量级脉宽使其容易达到很高的分辨率，能够实现背景辐射噪声的有效一致，周期的电子震荡使得频宽的覆盖范围极广。

而在通信传输方面，太赫兹波具有瞬态性、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，决定了太赫兹波在保密通信、星间通信及室内局域网通信等方面均有广阔的应用前景。

目前国际电联已决定将0.12THz和0.2THz划归无线通信使用，可能以后还会向THz中段发展。

1太赫兹通信技术研究现状及其空间应用

1.1太赫兹通信的技术特点

THz波介于微波与远红外光之间，处于电子学向光子学的过渡领域，它集成了微波通信与光通信的优点，和现有通信手段相比，THz波表现出了一些特有的性质［1］。

（1）THz通信传输的容量大，太赫兹的频段比现有微波通信要高出l～4个数量级，这也就意味着它可以承载更大的信息量，轻松解决目前战场信息传输受制于带宽的问题，满足大数据传输速率的通信要求。

2012年日本东京工业大学预测利用太赫兹通信技术进行无线数据传输的速度，理论上可以高达每秒100千兆位，比当前的超宽带技术快几百甚至上千倍。

（2）太赫兹波束更窄，具有极高的方向性和云雾及伪装物穿透能力，可以在大风、沙尘以及浓烟等恶劣的环境下以极高的带宽进行定向通信。

（3）太赫兹在空气中传播时很容易被水分所吸收，信号衰减严重，鉴于战场通信声道的混乱和拥塞，大气衰减能使信号根本无法传播到远处敌人的无线电技术监听机构，可实现隐蔽的近距离通信，使敌人无法在通信途中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号。

（4）由于THz波波长相对更短，在完成同样功能的情况下，天线的尺寸可以做得更小，其他的系统结构也可以做得更加简单、经济。

（5）THz光子能量低，只有10-3eV，这大概是光子能量的1/40，因此，相比于光通信而言，能量效率更高。

太赫兹在350微米、450微米、620微米、735微米和870微米波长附近，有相对透明的大气窗口，可以用于太赫兹空间通信。

太赫兹波在外层空间可以无损耗地传输，用很小的功率实现远距离通信，而且相对于光学通信来说，波束较宽、容易对准，量子噪声较低，天线系统可以实现小型化、平面化。

1.2太赫兹通信的研究现状

1.2.1日本的研究进展

日本于2005年1月8日，公布了日本国十年科技战略规划，提出十项重大关键技术，将THz列为首位。

东京大学、京都大学、大阪大学、东北大学、福井大学以及SLLSC，NTTAdvancedTechnologyCorporation等公司都大力开展THz的研究与开发工作。

（1）日本NTT公司

NTT公司长期从事通信系统的开发与研究，在太赫兹通信系统领域处于领先地位。

2006年Hirata等人基于微波光子学设计了120GHz的毫米波通信系统，可以传输10GHz的数据，通信距离可达200m［2］。

2007年研制出全固态太赫兹通信系统，该套系统为工作在0.12THz频段的太赫兹高速无线通信系统，可实现远距离（＞800m）同时传输6路未压缩的高清晰度电视（HDTV）节目信号。

它采用ASK调制，传输速率可达11.1Gbit/s，2008年已成功应用于北京奥运会。

其系统的简图如图1所示。

（2）日本Fukui大学已经研制出频率达0.889THz，输出功率达数万瓦的回旋管。

已用于生物医学、材料特性研究和高密度等离子体诊断等领域。

1.2.2欧洲的研究进展

英国的Rutherford国家实验室，剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学，德国的KFZ、BESSY、Karlsruhe、Cohn、Hamburg等大学，都积极开展THz研究工作。

欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。

在俄国国家科学院专门设立了一个THz研究计划，IAP，IGP及一些大学也都在积极开展THz研究工作。

俄国科学研究院应用物理研究所正在研制1THz的回旋管，脉冲磁场40T，脉宽100μs，电压30kV，电流5A，输出功率有望达l0kW。

俄罗斯研制的返波振荡器（BWO）可以产生频率180GHz～1110GHz、输出功率3mW～50mW的电磁辐射，己在欧洲及美国成为商业产品投入应用。

德国Braunschweig技术大学高频段技术研究所的通信实验室在THz传输方面进行了大量的研究［3］，主要分为:

THz自由空间信道特性研究，THz天线设计，60GHz的无线传输系统演示平台设计，300GHz的无线传输系统演示平台设计，THz通信所需的半导体器件设计。

同时，该大学研究人员通过建立各种室内环境模拟，实验研究了在各种反射涂料以及反射镜对室内THz接收装置接收信号的改善情况，以及发射接收装置的覆盖接收最优化的空间位置的建模研究，为将来室内THz无线通信提供了有利的数据支持，并且预测在未来的10年无线通信的速度将会到达15Gb/s。

同时，该大学已经建立了能够在室温条件下工作的新型半导体THz调制器，研究人员将这一调制器与可调THz时域光谱系统结合了起来，利用THz宽脉冲，以75MHz的重复率来传输频率高于25kHz的音频信号。

利用这一系统可以传输一张CD上的音乐，据称在另一端接收到的音乐质量和通过电话听到的音乐质量不相上下。

2008年德国的Jastrow等人利用VDI公司的太赫兹器件设计了300GHz太赫兹通信系统，能够成功传递视频信号，传输距离22m［4］。

1.2.3美国的研究进展

在美国包括常青藤大学在内有数十所大学都在从事THz的研究工作，特别是美国重要的国家实验室，如LLNL，LBNL，SLAC，JPL，BNL，NRL，ALS，ORNL等都在开展THz科学技术的研究工作。

美国国家基金会（NSF）、国家航天局（NASA）、能源部（DOE）和国家卫生学会（NIH）等从90年代中期开始对THz科技研究进行大规模的投入。

（1）美国RensselaerPolytechnic研究所在上世纪90年代成立了由张希成教授领导的THz技术研究项目组［5］，其在THz波的发射和探测，THz波光谱和成像，THz波三维成像技术等方面都进行了众多研究。

此外，美国AT＆T实验室在THz技术以及光无线网络方面进行了大量研究。

（2）美国研究人员利用电磁波代替电流信号研发出能在THz下工作的新型信号调制器;加利福尼亚大学圣巴巴拉分校以及美国宇航局埃姆斯研究中心正在用自由电子激光器产生的高频电磁波来控制调制器，这些电磁波由振荡电场组成，用高频电磁波进行调制比电子学线路快得多。

但由于THz振荡很难用现有的技术直接观测，研究人员现只能用间接的方法来检测调制速度。

（3）2000年，Kersting等人利用AIGaAs/GaAs量子阱实现低温环境下的太赫兹相位调制。

2005年Liu等人利用低温生长的GaAs制成偶极子天线作为调制解调器，实现了中心频率在0.3THz～0.4THz的信号传输，通信距离100cm，系统带宽可达20kHz。

2006年Chen等人采用具有周期结构的人工复合媒质，实现了对入射太赫兹波的电压幅度调制，幅度调制率可以达到50%。

（4）2007年来自哈佛的Belkin等人研发出利用铜金属波导工作在脉冲模式的太赫兹量子级联激光器（TerahertzQuantumCascadeLaser，THzQCL），工作温度170K，发光频率为3THz［6］。

2009年Kumar等人研制出基于对角跃迁的QCL，工作温度186K，发光频率为3.9THz，峰值功率5mw，其工作温度较一般QCL有很大提高［7］。

1.2.4国内的研究进展

国内THz研究较国际上其他发达国家开始较晚，但在国家科技部、国家自然科学基金委员会等部门的支持下，特别是2005年以太赫兹科学技术为主题的第270次香山科学会议的召开，大大推动了我国THz科学技术的研究。

针对国际上的研究瓶颈问题，我国在THz源、探测、成像应用以及传输等领域的理论和实验研究上形成了自己的研究特色，并取得了一些重要成果［1］。

（1）中国科学院上海微系统研究所在“十五”期间主要承担了国家自然科学基金重大项目，国家973计划等项目，主要目标是THz器件的模拟及相关物理机制的探索，并对固体THz源和探测器等THz器件的实现进行探索。

在THz通信系统上，由中国科学院上海微系统所信息功能材料国家重点实验室曹俊诚研究员负责的THz课题组自主成功研制了激射频率为3.2THz的量子级联激光器（QCL）。

该器件的整个研制过程，包括有源区材料生长、器件流片工艺以及光电特性测试等均在中国科学院上海微系统所完成，为发展相关THz应用系统奠定了基础。

2013年该所太赫兹固态技术重点实验室，基于太赫兹量子级联激光器（THzQCL）、THz量子阱探测器（THzQWP）、THz信号调制解调模块以及实时视频信号获取和显示模块，实现了基于THz波的实时视频通信演示，通信频点为3.9THz，为未来的THz无线通信技术奠定了基础。

（2）中科院物理所于20世纪90年代初期就建立了国内第一台时域光谱测量系统，是国际上较早开展THz研究的单位之一。

近年来在超强THz脉冲的产生、THz脉冲的传播和THz波在瞬态光谱分析中的应用等方面开展了卓有成效的研究工作。

在THz脉冲产生方面，他们发现，利用飞秒激光脉冲和等离子体相互作用中的激光脉冲静电尾波场，通过模式转换可以得到兆瓦级高功率的THz辐射。

（3）成都电子科技大学在毫米波辐射的传输、检测和应用、电子波抽运自由电子激光、Smith-Purcell自由电子激光及THz-Cherenkov辐射等方面开展了理论和实验方面的研究。

以刘盛纲院士为首的极高频复杂系统国防重点学科实验室分别于2008年和2009年在国内首次成功研制了0.22THz脉冲功率大于2kW的一次谐波和0.42THz脉冲功率千瓦级二次谐波THz回旋管。

实现我国大功率THz回旋器件从无到有的突破，使我国成为继俄、美、日、德后第五个独立成功研制大功率THz回旋管的国家。

2012年与湖南大学范滇元院士团队联合研制出了国内首部基于光电结合的0.1THz全固态高速无线通信系统，传输速率可达11Gbps。

（4）天津大学激光与光电子研究所在基于光学、光子学及非线性光学的THz辐射源，小型化、窄带连续、准连续THz源的研究上已取得很多重要成果，以姚建铨院士为首团队做出了高功率、小型化、室温运转的可调谐THz源原理样机，基于单块LiN-bO3晶体TPO浅表垂直技术输出THz波的峰值功率最高达到91W，调谐范围为0.8THz～2.8THz，转换效率为9.7×10-6，输出功率达国内最高和国际同期水平;已经制备出30kV、3kA的高功率光电导开关，与原有器件相比，耐压强度提高了近十倍，辐射功率也提高了3倍。

（5）中国工程物理研究院电子工程研究所2011年在国内首次实现了140GHz无线通信实验系统。

该系统在1.5km的2Gbps无线传输实时解调实验和10Gbps的软件解调实验。

在该系统中采用了新型的"正交幅相调制（QAM）+次谐波混频+多级放大"的太赫兹高速通信体制与技术路线，同国际上采用的ASK、OOK等体制相比，尽管其速率还未达到OOK体制的速率（目前国际上最高25Gbps），但其频谱利用率高，可以全电子实现，便于与电真空器件功率级联以实现远距离通信，并可采用数字信号处理技术进行信道均衡和补偿［8］。

1.3太赫兹通信空间应用展望

太赫兹波在空间技术上的一个重要应用，就是与重返大气层的飞行器（如导弹、飞船等）进行通信。

当飞行气层时，由于空气摩擦产生高温，飞行器周围的空气被电离形成等离子体，使通信遥测信号迅速衰减以至中断。

此时，太赫兹系统是唯一有效的通信工具。

太赫兹波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线局域网，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，但太赫兹波的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线通信，这对于信息技术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。

2结束语

太赫兹科学技术作为一门前沿的新兴交叉学科，处于电磁波谱的特殊位置，它具有极重要的学术价值和独特的性质，太赫兹的独特性给通信领域带来了深远的影响，相关应用需求迫切，发展迅猛，世界各国都给予极大的重视。

太赫兹空间通信具有显著的优势，但截止目前为止，关于太赫兹空间通信的研究成果还非常少，最主要的原因是由于传统电子学和光学的技术和器件都不能完全满足太赫兹波的需求，不能直接应用到太赫兹通信，因此需要结合两方面的知识，开发全新的技术和元器件。

但随着高功率的太赫兹光源、高灵敏度的探测技术及高稳定性系统技术的日益突破，具有众多优势的太赫兹空间通信取得突破必将指日可待。

参考文献:

［1］姚建铨.太赫兹通信技术的研究与展望［J］.中国激光.2009，36.

［2］AHirata，TKosugi，HTakahashi，RYamaguchi，FNakajima，TFuruta，HIto，HSugahara，YSatoTNagatsuma.120-GHz-bandmillimeter-wavephotonicwirelesslinkfor10Gb/sdatatransmission［J］.IEEETransactionsonMi-crowaveTheoryandTechniques，2006，54（5）:

1937-1944.

［3］RadoslawPiesiewicz，MartinJacob，MartinKochet，etal.PerformanceanalysisoffuturemultigigabitwirelesscommunicationsystemsatTHzfrequencieswithhighlydirectiveantennasinrealisticIndoorenvironments［J］.IEEEJ.Sel.Top.QuantumElectron.，2008，14

（2）:

421～430.

［4］CJastrow，KMunter，RPiesiewicz，TKiirner，MKochTKleine-Ostmann.300GHztransmissionsystem［J］.ElectronicsLetters，2008，44（3）:

213-215.

［5］QChen，ZJiang.XCZhang.All-opticalTHzimaging［C］.SPIE，1999.3617:

98～105.

［6］MABelkin，JAFan，SHormoz，FCapassol，SPKhanna，MLachab，AGDaviesandEHLinfield.Terahertzquantumcascadelaserswithcoppermetal-metalwaveguidesoperatingupto178K［J］.OpticsExpress，2008，16（5）:

3242-3248.

［7］SKumar，QHu，JLReno.186KOperationofterahertzquantum-cascadelasersbasedonadiagonaldesign［J］.AppliedPhysicsLetters，2009，94（13）:

131105.

［8］王成.0.14THz10Gbps无线通信系统［J］.信息与电子工程，2011，9.

DOI:

10.3969/j.issn.1674-7135.2013.04.013

李欣1979年生，男，博士，主要研究方向为星载输入输出多工器、滤波器设计，毫米波技术研究;

徐辉1976年生，男，高级工程师，博士，主要从事微波毫米波技术、星载通信技术及卫星转发器设计等方面的研究;

禹旭敏1973年生，男，高级工程师，主要从事星载微波、毫米波技术研究;

朱正贤1977年生，男，高级工程师，主要从事微波毫米波技术、星载通信技术等方面的研究。