专家论坛 doi:10.3969/i.issn.1003-3114.2017.04.01 引用格式：陈实，胡伟东.太赫兹探测与通信技术新进展].无线电通信技术，2017,43(4)：01-05 [CHEN Shi,HU Weidong.Recent Developp nts of Terahertz Detection and Communications m Radio Communication Technology,2017,43(4):01-05J 太赫兹探测与通信技术新进展 陈实，胡伟东 (北京理工大学北京市毫米波与太赫兹技术重点实验室，北京10008I) 摘要 关键词：太波：太探测：太通信：太源：太传输 中图分类号：T91 文献标志码：A 文音结号：1003-3114(2017力04-01-5 Recent Developments of Terahertz Detection and Communications Technologies CHEN Shi,HU Wei-ong (Beijing Key Laboratory of Millimeter Wave and Terahertz Techniques,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China) Abstract:This paper reviews the in terahertz (THz)important future diree ions mainly based on worldwid development trends.It focuses on several key THz te nologies,including THz source,TH ransmission and THz d ton.Several pro THz appl on areas are als0ds ed,such as astronomy, Key words:Terahertz wave:Terahertz detection:Terahertz com 0引言 理学，材料科学、光学、微波毫米波的综合学科 太赫兹波兼具微波和红外的共通特性，如安全 太赫兹(THz)波是位于毫米波和红外光之间的 性，瞬态性、宽带性、相干性、强穿透性等，预示着其 一段电磁波四。目前，学术界慎向于将太赫滋波的 启好的科研价估和应用前景。例如：太袜兹频段光 频段定义为0.1-10T出之间。因此，太赫兹科学技 子能量 低，频率为1T的电磁波的光子能量不 术处于电子学和光子学的交叉领域，是一门涉及物 会产生电离效应，和传统X光相比，在保证探测 度的情况下，更适合于对生物组织进行活体检 ·用白然到其金重大科研位器研制项目《61527805) 查日，也不会对探测体造成损坏，可以实现无损检 国家白然科学基金创新研究群体(61421001)：教育部高等学枚创新 测：太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力 引智计划项目(B14010) 作者简介：陈实(198 ),男，博士 主要研究方向 :太赫兹测云而 在损耗不大的情祝下，对于陶瓷、布料、纸张、塑料等 具有很强的穿透力，从而可作为探测隐蔽物体的手 感技术承担家白然科 段Q:太赫兹波的带宽很宽，通信传输容量大，时域 国家白然基金创新研究群体项目(61421001)，获得高等学校创新引 频谱信噪比高，太赫兹用于通信将具备以下特性，包 填补国内空白，获国防科 括潜在的太比特级别传输能力，微型可靠的收发器 结构和潜在的高效率，可运用于短距离无线通信、短 2017年第43卷第4期 无线电诵信技术 1 1994-018 China Academic Joural Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.net
书 2017 年第 43 卷第 4 期 无线电通信技术 1 doi: 10． 3969 /j．issn． 1003－3114． 2017．04．01 引用格式: 陈实，胡伟东． 太赫兹探测与通信技术新进展［J］．无线电通信技术，2017，43( 4) : 01－05． ［CHEN Shi，HU Weidong． Recent Developments of Terahertz Detection and Communications Technologies［J］． Radio Communications Technology，2017，43( 4) : 01－05．］ 太赫兹探测与通信技术新进展 陈 实，胡伟东 ( 北京理工大学 北京市毫米波与太赫兹技术重点实验室，北京 100081) 摘 要: 回顾了太赫兹技术的最新进展，并总结了未来的几个重要方向，重点介绍几种关键的太赫兹技术，包 括 太赫兹源、太赫兹传输、太赫兹调制和太赫兹检测。简要介绍了当前太赫兹技术的发展现状和应用情况，如射电天文 学、物体无损检测、医疗成像、安检等太赫兹探测应用和太赫兹通信概况。对太赫兹探测和通信最新技术进展进行了 回顾，给出了该领域的前瞻研究方向。 关键词: 太赫兹波; 太赫兹探测; 太赫兹通信; 太赫兹源; 太赫兹传输 中图分类号: TN91 文献标志码: A 文章编号: 1003－3114( 2017) 04－01－5 Recent Developments of Terahertz Detection and Communications Technologies CHEN Shi，HU Wei-dong ( Beijing Key Laboratory of Millimeter Wave and Terahertz Techniques，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China) Abstract: This paper reviews the state-of-the-art in terahertz ( THz) technologies，and summarizes several important future directions mainly based on worldwide development trends． It focuses on several key THz technologies，including THz source，THz transmission and THz detection． Several promising THz application areas are also discussed，such as astronomy，nondestructive test，life sciences，safety and high-speed communication． Based on the given summary，certain prospective research directions in the field are identified． Key words: Terahertz wave; Terahertz detection; Terahertz communications; Terahertz source; Terahertz transmission 收稿日期: 2017－04－25 基金项目: 国家自然科学基金重大科研仪器研制项目( 61527805) ; 国家自然科学基金创新研究群体( 61421001) ; 教育部高等学校创新 引智计划项目( B14010) 作者简介: 陈 实( 1989—) ，男，博士，主要研究方向: 太赫兹测云雷 达。胡伟东( 1975—) ，男，博士生导师，教授，主要研究方向: 太赫兹 遥感技术，承担国家自然科学基金重大科学仪器项目( 61527805) 、 国家自然基金创新研究群体项目( 61421001) ，获得高等学校创新引 智计划项目资助( B14010) ，主持“十二五”民用航天太赫兹成像重大 项目，目前已有三项成果通过部级鉴定，填补国内空白，获国防科学 技术进步奖一项。 0 引言 太赫兹( THz) 波是位于毫米波和红外光之间的 一段电磁波［1］。目前，学术界倾向于将太赫兹波的 频段定义为 0．1～10 THz 之间。因此，太赫兹科学技 术处于电子学和光子学的交叉领域，是一门涉及物 理学、材料科学、光学、微波毫米波的综合学科。 太赫兹波兼具微波和红外的共通特性，如安全 性、瞬态性、宽带性、相干性、强穿透性等，预示着其 良好的科研价值和应用前景。例如: 太赫兹频段光 子能量较低，频率为 1 THz 的电磁波的光子能量不 会产生电离效应，和传统 X 光相比，在保证探测深 度的 情 况 下，更适合于对生物组织进行活体检 查［2］，也不会对探测体造成损坏，可以实现无损检 测［3］; 太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力， 在损耗不大的情况下，对于陶瓷、布料、纸张、塑料等 具有很强的穿透力，从而可作为探测隐蔽物体的手 段［4］; 太赫兹波的带宽很宽，通信传输容量大，时域 频谱信噪比高，太赫兹用于通信将具备以下特性，包 括潜在的太比特级别传输能力，微型可靠的收发器 结构和潜在的高效率，可运用于短距离无线通信、短
专家论坛 距离大气通信、军事通信等场合四：太赫兹波具有 2009年，苗振诵讨太赫兹时域光普技术(te山et 方向性好、能穿诱云层禁特占，而日其来源不恶时间 time-domain spectroscopy)对光电导天线发射的太赫 的影响，探测器可以全天候工作。由于探测器 兹脉冲进行测量，测量结果为时域发射光谱，并通过 的尺寸和重量要远小于微波器件，适合卫星和空间 FFT得到对应的频域光谱☒ 站搭载，在射电天文、大气遥感等领域中具有重要的 光整流方法利用光束在非线性介质传播的光整 研究和应用价值 流效应，两个光束或者一束高强度的单色光束在非 1太赫兹技术 线性介质传播时，介质内部通过差频振荡效应激发 低频电极化场，进而辐射出太赫兹电磁波可 太赫兹科学中的关健技术主要包括：太赫兹源 2013年，Huang等人通过光整流在低温冷却的铌酸 太赫兹传输、太赫兹调制、太赫兹检测等。近年来高 锂中产生了转换效常和能量都较高的太赫兹脉冲 能宽谱太赫兹源、基于宽波段太赫兹技术的时域 转换效率大于3.80,4%】 普分析、太赫兹光谱成像等技术家步实用化，同时基 112微波倍频太林滋顺 于远红外自由电子激光的太棒兹辐射源、1P基的 固态倍链太林兹源的主要优点包括：具有 量子级联激光器等太赫兹源也有进 步发展圆 固有的可锁相特性以及频率捷变特性：可工作在宝 近些年来，基于-V族（如GaAs和lnP)化合物半 温下，制冷可提高性能：性能非常稳定、体积很小，日 导体和SiG化合物半导体的大幅发展，稳定的太赫 流功率低，可以长时间使用。其中GaAs肖特基 滋源、太林兹检测器件、高功率太林兹申直空器件 (Schottky Diode)二极管应用最为广泛，由于其电 (如太赫兹自由电子激光和太赫兹返波振荡器等 电流的非线性效应，作为重要的太赫兹器 均有突破性进展，在太赫兹烦段可视为合适的产生 广泛应用于混频链路、倍烦链路和检波器等多种场 和探测手段。材料和器件的发展也推动了太赫兹探 合。目前基于GAs肖特基二极管的倍频链路结构 测和通信技术的同步提升，在射电天文，无损检测 是微波倍频太赫兹源的主流方案。 JPL实验室、VDI 医学成像、安检等太赫兹探测和短距离高速无线通 公司、Rutherford实验室等在国际上处于领先水平。 信、宽带安全接入和通信、高速通信网铭、空间通信 1.1.3量子级联激光器太赫兹源 军事保密通信等太赫兹通信中的关键技术正受到越 量子级联激光器(0CL)是基于能带跃迁理论的 来越多的重视。以下将介绍太赫兹领域的若干 单极光源，目前技术已较为成熟，能够在室温条件下 关键技术 以连续波形式工作，其波长能够覆盖太赫兹频段 1.1太赫兹源 DCL的受激辐射仅仅依靠电子就可以使有源风内 本节着重介绍当前用于科学研究和工程应用的 多个量子阱能级发生粒子数反转，从而达到电子与 不同类型的太赫兹源 ,在太赫兹领域，高性价比、才 光子的单输入 多输出关系，而且激射波长是由 功率、可工作于室温下的太赫兹源是任何太赫技 子阱层的厚度决定。2014年Li等人研发了输出 术及其应用的基础。按照产生机理，太赫兹源分为 率为3.4THz、输出功率大于IW的太赫兹OCL芯 基干光学效应和基于由子学两举[间，句括光由导 片。最新的QCL己经成功在200K的温度下正 法、光整流法、倍频太赫兹源及量子级联激光器等 常工作，输出频率可达3.2THz。 1.1.1基于光学效应的太赫兹源 1.2太赫兹传输 太赫兹脉冲一般由如下几种光学方法产生：光 与微波毫米波相比，太赫兹波传播时的损耗不 电导，光整流等。频谱分量可高达几十T,但是输 可忽略，因此太赫兹传输线多使用波导传输线 出能量相对不高 同波导传输线在太赫兹频段下的损耗特性和色散特 光电导天线是目前太赫蓝源产生的主要方法之 性，成为太林兹传给领域的研究重点园。低损耗色 一，属于招快光电子技术。光电导天线利用表面沉 散、高功率容量的太林兹波导传输线，包括金属圆波 积技术，生长在GaAs等光电导半导体材料表面 导、平行平面金属波导、金属线波导、带有金属涂 GaAs光电导半导体材料受到激光照射后，瞬时被大 的介质波导、全介质波导等成为当前的研究热 量激发形成光电流，进而产生太赫兹辐射四。 点网，同时考虑双线传输结构、光子品体等。 2 Radio Communications Technology Val.43No.42017 1994-2018 China Academic lournal Ele Publishing House all rights reserved bttp/eoki ne
2 Radio Communications Technology Vol. 43 No. 4 2017 距离大气通信、军事通信等场合［5］; 太赫兹波具有 方向性好、能穿透云层等特点，而且其来源不受时间 的影响，探测器可以全天候工作［6］。由于探测器件 的尺寸和重量要远小于微波器件，适合卫星和空间 站搭载，在射电天文、大气遥感等领域中具有重要的 研究和应用价值［7］。 1 太赫兹技术 太赫兹科学中的关键技术主要包括: 太赫兹源、 太赫兹传输、太赫兹调制、太赫兹检测等。近年来高 能宽谱太赫兹源、基于宽波段太赫兹技术的时域光 谱分析、太赫兹光谱成像等技术逐步实用化，同时基 于远红外自由电子激光的太赫兹辐射源、InP 基的 量子级联激光器等太赫兹源也有进一步发展［8］。 近些年来，基于 III－V 族( 如 GaAs 和 InP) 化合物半 导体和 SiGe 化合物半导体的大幅发展，稳定的太赫 兹源、太赫兹检测器件、高功率太赫兹电真空器件 ( 如太赫兹自由电子激光和太赫兹返波振荡器等) 均有突破性进展，在太赫兹频段可视为合适的产生 和探测手段。材料和器件的发展也推动了太赫兹探 测和通信技术的同步提升，在射电天文、无损检测、 医学成像、安检等太赫兹探测和短距离高速无线通 信、宽带安全接入和通信、高速通信网络、空间通信、 军事保密通信等太赫兹通信中的关键技术正受到越 来越多的重视［9］。以下将介绍太赫兹领域的若干 关键技术。 1．1 太赫兹源 本节着重介绍当前用于科学研究和工程应用的 不同类型的太赫兹源。在太赫兹领域，高性价比、大 功率、可工作于室温下的太赫兹源是任何太赫兹技 术及其应用的基础。按照产生机理，太赫兹源分为 基于光学效应和基于电子学两类［10］，包括光电导 法、光整流法、倍频太赫兹源及量子级联激光器等。 1．1．1 基于光学效应的太赫兹源 太赫兹脉冲一般由如下几种光学方法产生: 光 电导、光整流等。频谱分量可高达几十 THz，但是输 出能量相对不高。 光电导天线是目前太赫兹源产生的主要方法之 一，属于超快光电子技术。光电导天线利用表面沉 积技术，生长在 GaAs 等光电导半导体材料表面。 GaAs 光电导半导体材料受到激光照射后，瞬时被大 量激 发 形 成 光 电 流，进而产生太赫兹辐射［11］。 2009 年，黄振通过太赫兹时域光谱技术( terahertz time-domain spectroscopy) 对光电导天线发射的太赫 兹脉冲进行测量，测量结果为时域发射光谱，并通过 FFT 得到对应的频域光谱［12］。 光整流方法利用光束在非线性介质传播的光整 流效应，两个光束或者一束高强度的单色光束在非 线性介质传播时，介质内部通过差频振荡效应激发 低频 电 极 化 场，进而辐射出太赫兹电磁波［13］。 2013 年，Huang 等人通过光整流在低温冷却的铌酸 锂中产生了转换效率和能量都较高的太赫兹脉冲， 转换效率大于 3．8±0．4%［14］。 1．1．2 微波倍频太赫兹源 二固态倍频链太赫兹源的主要优点包括: 具有 固有的可锁相特性以及频率捷变特性; 可工作在室 温下，制冷可提高性能; 性能非常稳定、体积很小，直 流功率低，可以长时间使用［15］。其中 GaAs 肖特基 ( Schottky Diode) 二极管应用最为广泛，由于其电 压———电流的非线性效应，作为重要的太赫兹器件 广泛应用于混频链路、倍频链路和检波器等多种场 合。目前基于 GaAs 肖特基二极管的倍频链路结构 是微波倍频太赫兹源的主流方案。JPL 实验室、VDI 公司、Rutherford 实验室等在国际上处于领先水平。 1．1．3 量子级联激光器太赫兹源 量子级联激光器( QCL) 是基于能带跃迁理论的 单极光源，目前技术已较为成熟，能够在室温条件下 以连续波形式工作，其波长能够覆盖太赫兹频段。 QCL 的受激辐射仅仅依靠电子就可以使有源区内 多个量子阱能级发生粒子数反转，从而达到电子与 光子的单输入－多输出关系，而且激射波长是由量 子阱层的厚度决定。2014 年 Li 等人研发了输出频 率为 3．4 THz、输出功率大于 1 W 的太赫兹 QCL 芯 片［16］。最新的 QCL 已经成功在 200 K 的温度下正 常工作，输出频率可达 3．2 THz ［17］。 1．2 太赫兹传输 与微波毫米波相比，太赫兹波传播时的损耗不 可忽略，因此太赫兹传输线多使用波导传输线。不 同波导传输线在太赫兹频段下的损耗特性和色散特 性，成为太赫兹传输领域的研究重点［18］。低损耗色 散、高功率容量的太赫兹波导传输线，包括金属圆波 导、平行平面金属波导、金属线波导、带有金属涂层 的介 质 波 导、全介质波导等成为当前的研究热 点［19］，同时考虑双线传输结构、光子晶体等
专家论坛 1.3太赫兹调制 1,4.2太赫越非相干检测技术 对于太赫兹通信系统而言，高传输速率、低误码 该技术在不需要本振信号和中频放大器等的情 率必须由高效可靠的调制技术保障，其中太赫兹调 况下，可以把被测的信号转变为常用的电压、电流信 制技术和太赫兹调制器是该领域的研究重点。由于 号，太赫滋波直检器包括常温类和低温类。其优点 太赫发场段处于微被和光学的交叉缅域，当前成熟 是较宽的深测烦段，系统简单。但是，只包含幅度信 的微波调制技术和光调制技术均不适用，高速宽带 息，不包括相位信息：其缺占是在后端诗出由路中 的太赫兹调制器也尚待研究，近年来提出了基于半 纸噪声有较高要求：灵敏度低、响应时间长、有标定 导体、石墨烯、光子晶体、超材料等不同材料的电子、 问题、背景噪声影响大等 光学、热和非线性调制的方法，采用全新电子材料 研制开发的太赫兹调制器作为太赫兹系统的重要组 2 太赫兹探测应用 件，在各方面展示了调制太赫兹波的性能。太赫 太赫兹波的诸多特性决定其广泛的应用前景 调制器的重要参数为调制深度和调制速度，可调制 列如针对材料分 的时域光谱信息分析、针对非 如振幅、相位、谱和表征时空特性的物理量。2008 电材料的无损检测、针对爆炸物和毒品等的反恐 年Coke采用光激励硅镀膜工艺，在平板波导结构 查、针对无线通信网络高信息率和高速数据传输速 内对太赫兹波进行调制，实验验证调制深度达到 离的短距离宽通信等 70%。2011年Villie Padilla采用高电子千移率管 太赫兹射电天文 (High Mobility Transistor,Hemt)和电控太赫 由于字宙背景辐射在太赫兹频谱中存在丰富的 兹超材料(Electrical山y Switchable Terahertz Metamate 信息，这使得太赫兹射电天文成为天文观测的重要 ials)技术，实现了调制速度为10Hz.0.46THz的太 手段。通过使用太赫兹被对宇宙背景辐射进行研 林兹调先制器即 究，可以理解更多关于太阳系以及宇宙的进化 1.4太赫兹检测 太赫兹无损检测 针对较低功率的输出和较高的热辐射噪声，高 灵敏度的太赫兹检测器必不可少。通常把太赫兹信 与X射线类似，太赫兹波也具备一定的穿透能 号检测技术分为非相干直接能量类和相干时域连续 力。由于太赫兹频段光子能量较低，不会对探测体 造成损坏，可以实现无损检。大抹波这一特占 波类。非相干直接能量类采用直接方式检测 对于检测非导电材料中的隐藏缺 或者特殊标记具 状况下，只可以检测太赫兹波的辐射强度，不包括其 有很大的发展空间。作为一种无损无创性检查手段 相位信息，这种检测方法为非相干类宽带检测。后 者属于相干检测，又可以细分为太赫兹时域光谱检 和现有检验手段的补充，太赫兹无损检测技术可应 用于文物探伤、书砖修复、航空泡沫芯材缺陷检测。 测技术和太赫兹低频端超外差式检测器的检测 2014年Angrisani等开发了 一套太赫滋无损检测 技术 统，针对航空复合材料出现的早期亚毫米裂纹检测， 14.1太赫兹相干拾测技 大大提高了了检速度 太赫兹相干检测技术类似超外差检测法，处理 2.3太赫兹安检 时需要通过一个非线性设备混频器进行，混频器将 连缝波太林兹作为安全会拾查毛段，可以 难处理的高频太林兹信号，转换到可方便外理的中 射线成像和超声波成像等技术的不足，能有效地 频信号，然后讲行放大和测量。日前太林故频段常 识别出藏在衣服中的枪支、刀具等金属武器，以及 用的混频检测器主要有3种 :肖特基 二极管 炸物、疑似病毒或炸药的包裹等。中电集团 (Schottky Diodes)混频器、超导SlS(Super-eonductor (CETC)第三十八研究所于2014年成功研制太赫越 Insulator Superconductor)混频器、热电子辐射热计 安检仪并己在新疆、深圳等地投入使用，填补了太赫 (Hotel Ectron Bolometer.HEB)。国NiC 兹非接触主动式人体安检产业的空白m 研究机构长期研究基于全NbN超导的SS结混频 器。所研制的全NbN超导SS混频器已达到了低 3太赫兹通信应用 于5倍量子极限的噪声温度西 太赫滋波通信是指用太赫兹波作为信息载体进 2017年第43卷第4期 无线电通信技术 3 1994-2018 China Academie Joural Electronic Publis hing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
2017 年第 43 卷第 4 期 无线电通信技术 3 1．3 太赫兹调制 对于太赫兹通信系统而言，高传输速率、低误码 率必须由高效可靠的调制技术保障，其中太赫兹调 制技术和太赫兹调制器是该领域的研究重点。由于 太赫兹频段处于微波和光学的交叉领域，当前成熟 的微波调制技术和光调制技术均不适用，高速宽带 的太赫兹调制器也尚待研究。近年来提出了基于半 导体、石墨烯、光子晶体、超材料等不同材料的电子、 光学、热和非线性调制的方法。采用全新电子材料 研制开发的太赫兹调制器作为太赫兹系统的重要组 件，在各方面展示了调制太赫兹波的性能。太赫兹 调制器的重要参数为调制深度和调制速度，可调制 如振幅、相位、谱和表征时空特性的物理量。2008 年 Cooke 采用光激励硅镀膜工艺，在平板波导结构 内对太赫兹波进行调制，实验验证调制深度达到 70%［20］。2011 年 Willie Padilla 采用高电子迁移率管 ( High Electron Mobility Transistor，Hemt) 和电控太赫 兹超材料( Electrically Switchable Terahertz Metamaterials) 技术，实现了调制速度为 10 MHz、0．46 THz的太 赫兹调制器［21］。 1．4 太赫兹检测 针对较低功率的输出和较高的热辐射噪声，高 灵敏度的太赫兹检测器必不可少。通常把太赫兹信 号检测技术分为非相干直接能量类和相干时域连续 波类。非相干直接能量类采用直接方式检测，一般 状况下，只可以检测太赫兹波的辐射强度，不包括其 相位信息，这种检测方法为非相干类宽带检测。后 者属于相干检测，又可以细分为太赫兹时域光谱检 测技术和太赫兹低频端超外差式检测器的检测 技术。 1．4．1 太赫兹相干检测技术 太赫兹相干检测技术类似超外差检测法，处理 时需要通过一个非线性设备混频器进行，混频器将 难处理的高频太赫兹信号，转换到可方便处理的中 频信号，然后进行放大和测量。目前太赫兹频段常 用的 混 频 检 测 器 主 要 有 3 种: 肖 特 基 二 极 管 ( Schottky Diodes) 混频器、超导 SIS( Super-conductor Insulator Superconductor) 混频器、热电子辐射热计 ( Hotel Ectron Bolometer，HEB) 混频器。美国 NiCT 研究机构长期研究基于全 NbN 超导的 SIS 结混频 器。所研制的全 NbN 超导 SIS 混频器已达到了低 于 5 倍量子极限的噪声温度［22］。 1．4．2 太赫兹非相干检测技术 该技术在不需要本振信号和中频放大器等的情 况下，可以把被测的信号转变为常用的电压、电流信 号，太赫兹波直检器包括常温类和低温类。其优点 是较宽的探测频段，系统简单。但是，只包含幅度信 息，不包括相位信息; 其缺点是在后端读出电路中对 低噪声有较高要求; 灵敏度低、响应时间长、有标定 问题、背景噪声影响大等［23］。 2 太赫兹探测应用 太赫兹波的诸多特性决定其广泛的应用前景， 例如针对材料分子的时域光谱信息分析、针对非导 电材料的无损检测、针对爆炸物和毒品等的反恐检 查、针对无线通信网络高信息率和高速数据传输速 率的短距离宽带通信等。 2．1 太赫兹射电天文 由于宇宙背景辐射在太赫兹频谱中存在丰富的 信息，这使得太赫兹射电天文成为天文观测的重要 手段。通过使用太赫兹波对宇宙背景辐射进行研 究，可以理解更多关于太阳系以及宇宙的进化 过程［25］。 2．2 太赫兹无损检测 与 X 射线类似，太赫兹波也具备一定的穿透能 力。由于太赫兹频段光子能量较低，不会对探测体 造成损坏，可以实现无损检测。太赫兹波这一特点 对于检测非导电材料中的隐藏缺陷或者特殊标记具 有很大的发展空间。作为一种无损无创性检查手段 和现有检验手段的补充，太赫兹无损检测技术可应 用于文物探伤、书砖修复、航空泡沫芯材缺陷检测。 2014 年 Angrisani 等开发了一套太赫兹无损检测系 统，针对航空复合材料出现的早期亚毫米裂纹检测， 大大提高了检测速度［26］。 2．3 太赫兹安检 连续波太赫兹源作为安全检查手段，可以弥补 X 射线成像和超声波成像等技术的不足，能有效地 识别出藏在衣服中的枪支、刀具等金属武器，以及爆 炸物、疑似病毒或炸药的包裹等。 中 电 集 团 ( CETC) 第三十八研究所于 2014 年成功研制太赫兹 安检仪并已在新疆、深圳等地投入使用，填补了太赫 兹非接触主动式人体安检产业的空白［27］。 3 太赫兹通信应用 太赫兹波通信是指用太赫兹波作为信息载体进
专家论坛 行的涌信，供成了微波涌信与光诵信的特占：太抹超 统与信息技术研究所在41THz基于OCL和OW下 波的高可用带宽允许处理潜在的巨大通信量：不同 先后开展了数据文件传输实验，系统构成实验和 于可见光，太赫兹波具有 定的穿透能力，能够携带 Mps传输实验，传输距离可达到2.2m 某些非视距(Non-ine-of-ight,Nlos)数据。 2016年，浙江大学余显斌采用光电方式实验演示了 室内太赫兹宽带移动通信随着高清电视、大数 300~500GHz频段160Gbit/s的超高速率无线数据 据、物联网和社容继体过于线通信风终信息率持纯 传输，这是在300G以上太赫兹频段首次成功展 增加的需求，促进这种网络增长的 一个显著的方 太赫兹频段大 100Gbit/s超高速无线通信 是利用太赫兹可达100G弘t/s的高速数据传输速率 潜力。研究团队采用相干光学频梳和光学本振在 特性。 300~500GHz频段产生了8个信道，每个信道速率 2004年，NTT公司基于UTC-PD光电变换太赫 20Ghit/s,总速率达到160Gbit/s」 兹源作为发射机、肖特基二极管检测作为接收机研 结束语 制了一套太赫兹无线通信系统，工作频率为 0.125THz,2008年将该系统用于北京奥运会赛事直 太赫兹波以其独有的特性，使太赫兹波通信比 插演示0.2016年NTT公司基于正交偏振复用技 微波和光通信拥有许多优势，决定了太赫兹波在高 术开发了世界上首台0.3Tz的太赫兹通信系统， 速短距离无线通信、宽带无线安全接入，宽带通信 并验证了传输速率可达4G弘it/s、传输距离为1.1m 高速信息网、空间通信、军事保密通信等方面均有 系统加图2所示，2011年德国1AF研制了一套全固 阔的应用前景。本文简要总结了相关研究领域的潜 态太赫兹无线通信系统，工作频率为0.22T网 在应用，可以预期在不久的将来会诞生太赫兹探测 2013年IAF采用Mhemt工艺，将发射机和接收机集 和通信的商业应用】 我国必须合理规划太赫兹技才 成在面积为4mmx1.5mm的TMIC芯片上，在 的发展路线，大力发展自主知识产权的太赫兹关键 0.24THz上基全由子学方式实现了40G0s速率 器件，另一方面提升太赫兹探测和通信系统的集成 1km距离的太赫兹无线通信系统圆。以上太赫 程度，这样的太赫兹系统既具有高速性能，又具有室 通信系统的出现标志着太赫兹具有取代光纤实现 温工作、小巧和易于集成等优势，将大幅提升我国有 “最后一公里”无线传输的应用潜力。 相关领域的技术水平。 国际广播中心(BC) 参老文献 []刘盛钢.太赫弦科学挂的新发展们.中因础科 .200%0117-12 [2]Woodward R M.Cole B E.Wallace VP.et al.Terahertz 日本)老京皮林远克公品 C H cine -38 [3]Adam A J.Planken PC.Meloni S.et a al.Terahertz Imaging of Hidden Paint Layers on Canvas []Optics Express, 2009.17(5):3407-1 [4]Zhang W.Lei YZ.Progress in Terahertz Nondestructive 图1NTT实验室的0.12.0.3THz谣信系统 Testing []Chinese J Sei Instrum.2008.29:1563-1568. 2012年中国工程物理研究院王成等实现了工 [5]Petrov V,Pyattaev A,Moltchanov D,et al.TerahertzBand Communications:Applications,Research Challenges,and 作频率0.34Tz的太赫兹无线通信系统、传输速度 Standardization Activities [C]/International Congress on 为3Gh/s,传给距离可达50m。利用该系续同时讲 Ultra Modem Teleco mnications and Control Systems and 行了IEEE802.11协议下的WLAN通信实验 目前 Worksbons.2016183-190. 中国工程物理研究院正在开展TC芯片技术研 [6]Davis C.Emde C.Harwood R.A 3-DPolarized Reversed 究，该芯片工作频率为0.140.34Tz。中科院微系 Monte Carlo Radiative Transfer Model for Millimeter and 4 Radio Communications Technology Val.43No.42017 1994-2018 China Academic lournal Ele Publishing House all rights reserved bttp/iw eoki ne
4 Radio Communications Technology Vol. 43 No. 4 2017 行的通信，集成了微波通信与光通信的特点: 太赫兹 波的高可用带宽允许处理潜在的巨大通信量; 不同 于可见光，太赫兹波具有一定的穿透能力，能够携带 某些非视距 ( Non-line-of-sight，Nlos) 数据。 室内太赫兹宽带移动通信随着高清电视、大数 据、物联网和社交媒体对无线通信网络信息率持续 增加的需求，促进这种网络增长的一个显著的方法 是利用太赫兹可达 100 Gbit /s 的高速数据传输速率 特性。 2004 年，NTT 公司基于 UTC－PD 光电变换太赫 兹源作为发射机、肖特基二极管检测作为接收机研 制了一套太赫兹无线通信系统，工 作 频 率 为 0．125 THz，2008 年将该系统用于北京奥运会赛事直 播演示［28］。2016 年 NTT 公司基于正交偏振复用技 术开发了世界上首台 0．3 THz 的太赫兹通信系统， 并验证了传输速率可达 4 Gbit /s、传输距离为1．1 m， 系统如图 2 所示。2011 年德国 IAF 研制了一套全固 态太赫兹无线通信系统，工作频率为0．22 THz ［29］。 2013 年 IAF 采用 Mhemt 工艺，将发射机和接收机集 成在 面 积 为 4 mm × 1． 5 mm 的 TMIC 芯 片 上，在 0．24 THz上基于全电子学方式实现了 40 Gbps 速率、 1 km距离的太赫兹无线通信系统［30］。以上太赫兹 通信系统的出现标志着太赫兹具有取代光纤实现 “最后一公里”无线传输的应用潜力。 图 1 NTT 实验室的 0．12、0．3 THz 通信系统 2012 年中国工程物理研究院王成等实现了工 作频率 0．34 THz 的太赫兹无线通信系统、传输速度 为 3 Gb /s，传输距离可达 50 m。利用该系统同时进 行了 IEEE802．11 协议下的 WLAN 通信实验。目前 中国工程物理研究院正在开展 TMIC 芯片技术研 究，该芯片工作频率为 0．140．34 THz。中科院微系 统与信息技术研究所在 4．1 THz 基于 QCL 和 QWP 先后开展了数据文件传输实验，系统构成实验和 1 Mbps传 输 实 验，传输距离可达到 2． 2 m［31］。 2016 年，浙江大学余显斌采用光电方式实验演示了 300～500 GHz频段 160 Gbit /s 的超高速率无线数据 传输，这是在 300 GHz 以上太赫兹频段首次成功展 示了太赫兹频段大于 100 Gbit /s 超高速无线通信的 潜力。研究团队采用相干光学频梳和光学本振在 300～500 GHz 频段产生了 8 个信道，每个信道速率 20 Gbit /s，总速率达到 160 Gbit /s ［32］。 4 结束语 太赫兹波以其独有的特性，使太赫兹波通信比 微波和光通信拥有许多优势，决定了太赫兹波在高 速短距离无线通信、宽带无线安全接入、宽带通信、 高速信息网、空间通信、军事保密通信等方面均有广 阔的应用前景。本文简要总结了相关研究领域的潜 在应用，可以预期在不久的将来会诞生太赫兹探测 和通信的商业应用。我国必须合理规划太赫兹技术 的发展路线，大力发展自主知识产权的太赫兹关键 器件，另一方面提升太赫兹探测和通信系统的集成 程度，这样的太赫兹系统既具有高速性能，又具有室 温工作、小巧和易于集成等优势，将大幅提升我国在 相关领域的技术水平。 参 考 文 献 ［1］ 刘盛纲． 太赫兹科学技术的新发展［J］． 中国基础科 学，2006( 01) : 7－12． ［2］ Woodward R M，Cole B E，Wallace V P，et al． TerahertzPulse Imaging in Reflection Geometry of Human Skin Cancer and Skin Tissue［J］． Phys Medicine Biol，2002， 47: 3853－3863． ［3］ Adam A J，Planken P C，Meloni S，et al． Terahertz Imaging of Hidden Paint Layers on Canvas［J］． Optics Express， 2009，17( 5) : 3407－16． ［4］ Zhang W，Lei Y Z． Progress in Terahertz Nondestructive Testing［J］． Chinese J Sci Instrum，2008，29: 1563－1568． ［5］ Petrov V，Pyattaev A，Moltchanov D，et al． TerahertzBand Communications: Applications，Research Challenges，and Standardization Activities［C］∥International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops． 2016: 183－190． ［6］ Davis C，Emde C，Harwood R． A 3－DPolarized Reversed Monte Carlo Radiative Transfer Model for Millimeter and
专家论坛 Submillimeter Passive Remote Sensing in cloudy atmos- urnal of physies d applied Physies.2014.473万：37400 [20]Cooke D G.Jepsen P U.Optical Modulation of Teraherta 0m,2005,43():1096-1101. Pulses in a Parallel Plate Waveguide []Optic [7]Kules C. ,208.16(19:1512 Comets to Cosmology []IEEE Trans Terahertz Sci Tech. [21]Chen H T.Sen uctor Activated Terahertz Metamaterial 20111.232-240 []Frontiers of Optoelectronies,2015.8(1)27-43. [8】洪，余超，陈继新，等.毫来波与太技米.中 [22]Li J,Takeda M.Wang Z.et al.Low-noise 0.5 THz All- 国科：信息科学，2016()：1086-107 NhN Sunercanductorinaulator-au [9]Kumer T.Priebe S.Towards THz Communications-Status Submillimeter Wave Astronomy []Applied Physics Let- in Research.Standardization and Regulation l.loural e,2008,92(22:1055 33 of Infrared.Millimeter and Terahertz Waves.2014.35 [23]Fattinger Ch.Grischkowsky D.Point Source7 Terahertz Optic ():53-62 [U].Appl.Phs.Let.1988,53(10:1480-1482. [10]Liang PL,Dai J M.Review of Terahertz Science and [24]史生才，李蜻，张文，等超高灵敏度太赫蓝超导探测器 Technology []Tech Autom Appl,2015,34:1-8. 」1.折理幸报，2015.6422：12-23. [11]Hattori T.Tukamoto K.Nakatsuka H.Time-resolved Stody [25]Wild W.Terahertz Heterodyne Technology for Astr ing of Joint 3n International Conference on Infrared and Millimeter Japan Appl Phys Waves and the 15th International Conference on Terahertz 2001.40:4907-4912 Electronics.Cai开.2007：323-325. [12]黄振，于战，赵国感，等.小孔径瑚蝶型光电学天线太 [26]Angrisani L.Bonavolonta F.Moriello R S L.et al.FirstStep 格蓝摇射源的研究[山1.激光与红外，2009,39(2) 。L 183-186 e Sampling Based-TH [13]Shao L.La G.Cheng D M.Ger ion and Recent Ad- Plates [C]/Metrology for Acrospac vanees in Optical Rectification THz Sources []Laser In- 2014 IEEE Date of Confere 29-30 ed.2008.38-872-875 [14]Huang S W.Granados E.Huang WR.et al.High Conver [2]涂吴，或帅.太赫兹技术在反恐防爆领城的应用探讨 [山1.警察技求.201603)：11-14. [28]Kukutsu N.Hirata A,KosugiT.et al.10-Chit/s Wireles cation in C vogenically Cooled Lithium Niobate [ y 120-GHz-Band Photodiode 0 pt Lett.2013.38:796-798. and MMIC Technologies [J ]Compound Semiconducto [15]Suzuki S.Asada M,Teranishi A,et al.Fundamental Os Integrated Circuit Symposium.IEEE,2009:1-4. [291 Kallfass 1.Antes L.Schpeider T.et al.All Active MMIC- erature ].Applied Physics Letters,2010, Based Wireless Communication at 220 GHz []IEEE 97.24:242101-242103 on Terahertz Science Technology,2011 [16]Li Liamhe,Chen Li,Zhu jiangxuan,et al.Terabertz Quan- 1(2:47-487。 tum Cascade Lasers with >W Output Powers]Elee [30]Koenig S.Lopez-Diaz D.Antes J,et al.Wireless sub-THz 2014.504:309 cation System with High Data Rate Nature [17]Fathololoumi S.Dupont E.Chan C W I,ct al.Terahertz ph0t0nics.2013.7t12力.977-081 Ouantum Cascade lasers Operating up to 200 k with Op- [31]省勇.陈镇，该.等.Wi ess Terabertz山h imized Oscillator Strensth and Improved Iniection Tunpe hased on Digitally modulated Terahert ig0].0pt.Express,2012,4:3331-3339 ade Laser [J].Chinese Optics Letters [18]Zhong R B.Study of Tera Dis 2013,11(3):38-40. sertation for Ph.D.Degree [D].Cheng Du:University of [32]Yu X.Jia S.Hu H.et al.160 Gbit/s Photonics Wireles Electronic.Science and Technolosy of China.2012 Transmission in the 300-500 GHz Band ]]Apl Photon- is.2016.1(81:371-380 2017年第43卷第4期 无线电通信技术 5 1994-2018 China Academie Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
2017 年第 43 卷第 4 期 无线电通信技术 5 Submillimeter Passive Remote Sensing in Cloudy Atmospheres［J］． Geoscience ＆ Remote Sensing IEEE Transactions on，2005，43( 5) : 1096－1101． ［7］ Kulesa C． Terahertz Spectroscopy for Astronomy: from Comets to Cosmology［J］． IEEE Trans Terahertz Sci Tech， 2011，1: 232－240． ［8］ 洪伟，余超，陈继新，等． 毫米波与太赫兹技术［J］． 中 国科学: 信息科学，2016( 8) : 1086－1107． ［9］ Kürner T，Priebe S． Towards THz Communications－Status in Research，Standardization and Regulation［J］． Journal of Infrared，Millimeter and Terahertz Waves，2014，35 ( 1) : 53－62． ［10］ Liang P L，Dai J M． Review of Terahertz Science and Technology［J］． Tech Autom Appl，2015，34: 1－8． ［11］ Hattori T，Tukamoto K，Nakatsuka H． Time－resolved Study of Intense Terahertz Pulses Generated by a Large-Aperture Photoconductive Antenna ［J］． Japanese J Appl Phys， 2001，40: 4907－4912． ［12］ 黄振，于斌，赵国忠，等． 小孔径蝴蝶型光电导天线太 赫兹辐射源的研究［J］． 激光与红外，2009，39 ( 2) : 183 －186． ［13］ Shao L，Lu G，Cheng D M． Generation and Recent Advances in Optical Rectification THz Sources［J］． Laser Infrared，2008，38: 872－875． ［14］ Huang S W，Granados E，Huang W R，et al． High Conversion Efficiency，High Energy Terahertz Pulses by Optical Rectification in Cryogenically Cooled Lithium Niobate［J］． Opt Lett，2013，38: 796－798． ［15］ Suzuki S，Asada M，Teranishi A，et al． Fundamental Oscillation of Resonant Tunneling Diodes Above 1 THz at Room Temperature［J］． Applied Physics Letters，2010， 97，24: 242101－242103． ［16］ Li Lianhe，Chen Li，Zhu jiangxuan，et al． Terahertz Quantum Cascade Lasers with ＞1W Output Powers［J］． Electronics Letters，2014，50( 4) : 309． ［17］ Fathololoumi S，Dupont E，Chan C W I，et al． Terahertz Quantum Cascade Lasers Operating up to 200 K with Optimized Oscillator Strength and Improved Injection Tunneling［J］． Opt． Express，2012，4: 3331－3339． ［18］ Zhong R B． Study of Terahertz Transmission Lines． Dissertation for Ph．D． Degree［D］． Cheng Du: University of Electronic，Science and Technology of China，2012． ［19］ Andrews S R． Microstructured Terahertz Waveguides［J］． Journal of Physics D Applied Physics，2014，47( 37) : 374004． ［20］ Cooke D G，Jepsen P U． Optical Modulation of Terahertz Pulses in a Parallel Plate Waveguide ［J］． Optics Express，2008，16( 19) : 15123． ［21］ Chen H T． Semiconductor Activated Terahertz Metamaterials ［J］． Frontiers of Optoelectronics，2015，8( 1) : 27 －43． ［22］ Li J，Takeda M，Wang Z，et al． Low－noise 0．5 THz All－ NbN Superconductor-insulator-superconductor Mixer for Submillimeter Wave Astronomy［J］． Applied Physics Letters，2008，92( 22) : 1055－313． ［23］ Fattinger Ch，Grischkowsky D． Point Source Terahertz Optics ［J］． Appl． Phys． Lett ． ，1988 ，53 ( 16) : 1480 －1482． ［24］ 史生才，李婧，张文，等．超高灵敏度太赫兹超导探测器 ［J］． 物理学报，2015，64( 22) : 12－23． ［25］ Wild W． Terahertz Heterodyne Technology for Astronomy and Planetary Science［C］∥In: Proceedings of Joint 32nd International Conference on Infrared and Millimeter Waves and the 15th International Conference on Terahertz Electronics，Cardiff，2007: 323 －325． ［26］ Angrisani L，Bonavolontà F，Moriello R S L，et al． FirstSteps Towards an Innovative Compressive Sampling Based － THz Imaging System for Early Crack Detection on Aereospace Plates［C］∥Metrology for Aerospace ( MetroAeroSpace) ， 2014 IEEE Date of Conference: 29－30． ［27］ 涂昊，武帅． 太赫兹技术在反恐防爆领域的应用探讨 ［J］． 警察技术，2016( 03) : 11－14． ［28］ Kukutsu N，Hirata A，Kosugi T，et al． 10－Gbit /s Wireless Transmission Systems Using 120-GHz-Band Photodiode and MMIC Technologies［J］． Compound Semiconductor Integrated Circuit Symposium． IEEE，2009: 1－4． ［29］ Kallfass I，Antes J，Schneider T，et al． All Active MMIC－ Based Wireless Communication at 220 GHz［J］． IEEE Transactions on Terahertz Science ＆ Technology，2011， 1( 2) : 477－487． ［30］ Koenig S，Lopez-Diaz D，Antes J，et al． Wireless sub－THz Communication System with High Data Rate［J］． Nature Photonics，2013，7( 12) : 977－981． ［31］ 谭 智 勇，陈 镇，曹 俊 诚，等． Wireless Terahertz Light Transmission based on Digitally － modulated Terahertz Quantum-cascade Laser ［J］． Chinese Optics Letters， 2013，11( 3) : 38－40． ［32］ Yu X，Jia S，Hu H，et al． 160 Gbit /s Photonics Wireless Transmission in the 300－500 GHz Band［J］． Apl Photonics，2016，1( 8) : 371－380．