第47卷第4期 通信技术 Vol.47 No.4 2014年4月 Communications Technology Apr.2014 doi:10.3969/5.issn.1002-0802.2014.04.002 太赫滋波通信技术研究现状及展望 李纪舟'，蒋文涛 (1.解放军91746部队，北京102206：2.解放军91635部队北京102249) 摘要：太赫兹波是介于微波与光波之间的尚未被完全开发利用的频段，基于太赫兹波的通信技术 将是下一代通信技术的重点发展方向，并具有广阔的应用前景。首先介绍了太赫兹波通信的基本特 性、太赫兹波通信系统的架构组成，以及太赫兹波通信的关键技术，然后对国内外太赫兹波通信的辐 射源技术、信号调制技术、信号探测技术以及通信系统的研究进展情况进行了重点阐述，最后对太 兹通信技术研发过程中面临的困难进行了分析，并对未米太赫兹波通信技术的应用进行了展望。 关键词：太赫兹波通信技术信号调制辐射源 中图分类号：TN91 文献标志码：A 文章编号：1002-0802(2014)04-0348-06 Terahertz Communication Technology Research Status and Prospects LI Ji-zhou,JIANG Wen -tao (1.Unit 91746 of PLA.Beijing 102206.China:2.Unit 91635 of PLA,Beijing 102249,China) Abstract:Terahertz ave is a band betv e and lightwave which has not been fully de- eloped.The terahertz dire tion sharacteristics,svstems architecture and key technologies of terahertz communications are introduced in this paper.Then,the radiation,signal modulation,signal detection techniques and system research pro gress of terahertz communications are described emphatically.Finally,res arch and development difficul- fture applications of teraherredcd detal :communications technology:signal modulation:radiation 0引言 Hz)之间的电磁波，波长为30至3000微米，题谱介 于微波与远红外光之间，在低被段，它与米波 太赫波作为一个介于微波与光波之间的全新 频段尚未被完全开发，具有传输速率高、方向性 ,在高波段，它与红外光重合，如图1所示，位于宏 好、安全性高，散射小及穿透性好等特点，适合开展 观电子学与微观光子学的过渡区域。 宽带无线通信及空间通信。2004年，太赫燕技术被 美国评为“改变未来世界的十大技术”之四，2005 电子学 Th波段 光子学 可见光 年，被日木列为“国家支柱十大重点战略目标”之 首。太赫兹波通信技术将是下 代通信技术的基 品瑞 础，具有广阔的应用前景，已成为世界各国发展研究 图！太赫兹波在顿谱中的位置示意 的热点。 Fig.I Location of the terahertz waves in the spectrum 1太赫兹波通信技术 太赫兹波具有以下特征-：①带宽宽：太赫兹 波的脉冲源包括若干个周期的电磁振荡，单个脉冲 1.1太赫兹波的特性 的频率范围覆盖GHz~THz:②瞬态性：太赫兹波歌 太赫兹波是指频谱在0.1~10THz(1Tz=10 冲宽度是皮秒量级的，具有非常高的时间分辨率，方 348 1004.2014hi Academic Jour al Electronic Publishing House A rights www.cnki.ne
doi:10． 3969 /j． issn． 1002 － 0802． 2014． 04． 002 太赫兹波通信技术研究现状及展望 李纪舟1 ，蒋文涛2 (1． 解放军 91746 部队，北京 102206 ; 2． 解放军 91635 部队 北京 102249) 摘 要:太赫兹波是介于微波与光波之间的尚未被完全开发利用的频段，基于太赫兹波的通信技术 将是下一代通信技术的重点发展方向，并具有广阔的应用前景。首先介绍了太赫兹波通信的基本特 性、太赫兹波通信系统的架构组成、以及太赫兹波通信的关键技术，然后对国内外太赫兹波通信的辐 射源技术、信号调制技术、信号探测技术以及通信系统的研究进展情况进行了重点阐述，最后对太赫 兹通信技术研发过程中面临的困难进行了分析，并对未来太赫兹波通信技术的应用进行了展望。 关键词:太赫兹波 通信技术 信号调制 辐射源 中图分类号:TN91 文献标志码:A 文章编号:1002 － 0802(2014)04 － 0348 － 06 Terahertz Communication Technology Ｒesearch Status and Prospects LI Ji － zhou，JIANG Wen － tao (1． Unit 91746 of PLA，Beijing 102206，China; 2． Unit 91635 of PLA，Beijing 102249，China) Abstract:Terahertz － wave is a band between the microwave and lightwave，which has not been fully developed． The terahertz communications technology will be an important developing direction of the next generation communications technology，and would possess broad application prospects． Firstly，the basic characteristics，systems architecture and key technologies of terahertz communications are introduced in this paper． Then，the radiation，signal modulation，signal detection techniques and system research progress of terahertz communications are described emphatically． Finally，research and development difficulties and future applications of terahertz communications are discussed in detail． Key words:terahertz － wave; communications technology; signal modulation; radiation 0 引 言 太赫兹波作为一个介于微波与光波之间的全新 频段尚未被完全开发［1］，具有传输速率高、方向性 好、安全性高、散射小及穿透性好等特点，适合开展 宽带无线通信及空间通信。2004 年，太赫兹技术被 美国评为“改变未来世界的十大技术”之四，2005 年，被日本列为“国家支柱十大重点战略目标”之 首。太赫兹波通信技术将是下一代通信技术的基 础，具有广阔的应用前景，已成为世界各国发展研究 的热点。 1 太赫兹波通信技术 1． 1 太赫兹波的特性 太赫兹波是指频谱在 0． 1 ～ 10 THz(1THz = 1012 Hz)之间的电磁波，波长为 30 至 3000 微米，频谱介 于微波与远红外光之间，在低波段，它与毫米波重 合，在高波段，它与红外光重合，如图 1 所示，位于宏 观电子学与微观光子学的过渡区域。 图 1 太赫兹波在频谱中的位置示意 Fig． 1 Location of the terahertz waves in the spectrum 太赫兹波具有以下特征［1 － 2］:①带宽宽:太赫兹 波的脉冲源包括若干个周期的电磁振荡，单个脉冲 的频率范围覆盖 GHz ～ THz;②瞬态性:太赫兹波脉 冲宽度是皮秒量级的，具有非常高的时间分辨率，方 · 843 · 第 47 卷 第 4 期 2014 年 4 月 通信技术 Communications Technology Vol． 47 No． 4 Apr． 2014
第47在 李纪舟，蒋文涛：太赫蕊波通信技未研究现状及展望 第4期 便瞬态光谱研究，能有效抑制背影辐射噪声：③相于 性：太赫兹波的产生方式有两种：一是由相干电流职 前置放大轻 动的偶极子振荡产生，二是由相干的激光脉冲通过 RF电信号发生器】 电调制器 非线性光学差顿变换产生，都具有相干性：④低能 性：太赫滋波的光子能量较低，只有10~3V,相当于 X射线光子能量的19%，不易破坏被检测的物质：⑤ 穿透性：太赫滋波能以较小的衰减穿透物质，能对不 2)光申子器件发射子系统如图3所示，该子系 诱明物体讲行诱视成像。 统利用光电子器件实现太赫兹信号的产生和调制 1.2太赫兹波通信及特点 两个红外激光器产生两束光信号，通过光学外差法 太赫蕊被通信是指用太赫兹波作为信息截体进 利用单行载流子光电二极管(UTC-PD)转换为太 行的通信，集成了微波通信与光通信的特点 赫兹波信号。该结构系统一般工作在1THz以下，基 1)容量大。太赫 当在10 10之 于1.55um远距离通信平台。 间，大约是长波、中波、短波、微波(30GHz)总带宽 数字信号 数学信号 的1000倍，能提供超过0Gb1s的通信速率，是超宽 光被大器 带通信技术的几百其至上千倍。 太赫兹波的波窄，具有极高的 电特发生器一电制—一光电转一 2)方向性强。 方向性，能穿透云雾及伪装物，可在大风、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， 日前国际电联己决定将0.12THz和0.2THz归无 3)太赫兹激光器系统如图4所示，这是一个基 线通信使用，可能以后还会向太赫兹中段发展 于半导体激光器的系统，如量子级联激光器(QCL) 3)保密性好。太赫兹在空气中传播时很容易 可以产生1T用Hz以上的太赫兹信号。通过外调制 被水分所吸收，信号衰减严重，传输距离较短， 署，QCL可实现城制频率在10GHz以上的直接调 合地面远程通信，也使得探测通信信号非常难，通信 保密性能好，因此适合地面短程安全通信。特别是 战场通信，可实现隐蔽的近距离通信，使敌人无法在 叠易 数字信号 通信中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号。 正在利用太赫兹传输距离相对较短、不易被截获 优势，研制通信距离在5千米左右的近距离战术通 T光 T词制器 信系统。 4)性价比好。太抹兹波的波长比较短，收发天 图4太赫燕激光器系纷 线的尺寸小，通信系统结构简单、可靠，并且经济，还 Fig.4 Terahertz laser system 可减轻相互通信之间的干扰， 太赫兹波通信两类接收子系统是直接探测系统 5)效率高。相对于光通信而言，太赫蕊波的光 子能量低，大约是10-eV,只有可见光的1/40，用它 和相干探测系统，都是利用量子阱探测器或电子器 件等光电子器件构建系统的。 作为信息战体，可以获得极高的能量效率 4)直接探测系统如图5所示，该系统结构简 1.3太赫兹波通信系统组成架构 单，主要用于1~10T信号接收 型的发射子系统和 1)全电子器件发射子系统如图2所示，该系场 是基于电子器件的系统，由RF电信号发生器、电调 制舞和前置放大器组成。太赫兹波信号一般由多倍 放大耿氏振荡器产生，或由30-100GHz的微波/毫 米波发生器合成。 ,349 1994-2014 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.enki.net
便瞬态光谱研究，能有效抑制背影辐射噪声;③相干 性:太赫兹波的产生方式有两种:一是由相干电流驱 动的偶极子振荡产生，二是由相干的激光脉冲通过 非线性光学差频变换产生，都具有相干性;④低能 性:太赫兹波的光子能量较低，只有 10 － 3 eV，相当于 X 射线光子能量的 1% ，不易破坏被检测的物质;⑤ 穿透性:太赫兹波能以较小的衰减穿透物质，能对不 透明物体进行透视成像。 1． 2 太赫兹波通信及特点 太赫兹波通信是指用太赫兹波作为信息载体进 行的通信，集成了微波通信与光通信的特点［3］: 1)容量大。太赫兹波频谱在 108 ～ 1013 Hz 之 间，大约是长波、中波、短波、微波(30 GHz) 总带宽 的1 000倍，能提供超过l0 Gb / s的通信速率，是超宽 带通信技术的几百甚至上千倍。 2)方向性强。太赫兹波的波束窄，具有极高的 方向性，能穿透云雾及伪装物，可在大风、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。 目前国际电联己决定将0． 12 THz和0． 2 THz划归无 线通信使用，可能以后还会向太赫兹中段发展。 3)保密性好。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，传输距离较短，不适 合地面远程通信，也使得探测通信信号非常难，通信 保密性能好，因此适合地面短程安全通信。特别是 战场通信，可实现隐蔽的近距离通信，使敌人无法在 通信中探测、截取、阻塞或“造假”传输信号。美国 正在利用太赫兹传输距离相对较短、不易被截获的 优势，研制通信距离在 5 千米左右的近距离战术通 信系统。 4)性价比好。太赫兹波的波长比较短，收发天 线的尺寸小，通信系统结构简单、可靠，并且经济，还 可减轻相互通信之间的干扰。 5)效率高。相对于光通信而言，太赫兹波的光 子能量低，大约是10 － 3 eV，只有可见光的 1 /40，用它 作为信息载体，可以获得极高的能量效率。 1． 3 太赫兹波通信系统组成架构 目前研究中的太赫兹波通信系统结构有三种典 型的发射子系统和两种接收子系统［2 － 3］: 1)全电子器件发射子系统如图 2 所示，该系统 是基于电子器件的系统，由 ＲF 电信号发生器、电调 制器和前置放大器组成。太赫兹波信号一般由多倍 放大耿氏振荡器产生，或由 30 ～ 100 GHz 的微波/毫 米波发生器合成。 图 2 全电子器件系统 Fig． 2 Full electronics system 2)光电子器件发射子系统如图 3 所示，该子系 统利用光电子器件实现太赫兹信号的产生和调制， 两个红外激光器产生两束光信号，通过光学外差法， 利用单行载流子光电二极管(UTC － PD) 转换为太 赫兹波信号。该结构系统一般工作在1 THz以下，基 于1． 55 μm远距离通信平台。 图 3 光电子器件系统 Fig． 3 Optoelectronic devices Systems 3)太赫兹激光器系统如图 4 所示，这是一个基 于半导体激光器的系统，如量子级联激光器(QCL)， 可以产生 1 THz 以上的太赫兹信号。通过外调制 器，QCL 可实现调制频率在 10 GHz 以上的直接调 制［4］。 图 4 太赫兹激光器系统 Fig． 4 Terahertz laser system 太赫兹波通信两类接收子系统是直接探测系统 和相干探测系统，都是利用量子阱探测器或电子器 件等光电子器件构建系统的。 4)直接探测系统如图 5 所示，该系统结构简 单，主要用于 1 ～ 10 THz信号接收。 图 5 直接探测系统 Fig． 5 Direct detection system · 943 · 第 47 卷 李纪舟，蒋文涛:太赫兹波通信技术研究现状及展望 第 4 期
www.txjszz.com 通信技术 2014年 5)相干探测系统如图6所示，该系统结复杂 波处于光学理论和电子学理论的交叉地带，其通信 灵度高，可以探测频率调制和相位调制的微弱太 技术体制应有别于现有通信技术体制，需要开展相 赫兹信号。 关研咒。 本信号源 2太赫兹波通信技术研究现状 前放大播 目前太滋被通信技术的研究主要华中在：太 -O警善 赫兹波辐射源技术、太赫兹波信号调制技 太赫整 波信号探测技术，天线技术，太赫兹波通信系统总体 6图6相干探测系统 技术等面 2.1太赫兹波辐射源技术 1.4太赫兹波通信系统关键技术 2.1.1半导体太赫滋波辐射源 目前，正在研究中的太赫兹波通信关键技术主 半导体太赫兹波辐射源一般体积小、可调谐、使 要包括4习 用方便。较为常见的有Impatt、Gn报荡器、共振说 1)关键器件技术。主要包括：常温下可连续辐 道二极管(RTD)及量子级联激光器(QCL)等。 射的大功率、小体积太抹兹波辐射源：常温下高灵敏 中，QCL以异结 半导体( )的导列 中 度太赫兹波检测器件和技术：太赫兹波传输器件如 的次能级间的跃迁为基础，利用纵向光学声子的谐 传输波导、谐 ,高效太赫兹辐射源封 振产生粒子数反转的一种激光器，是正在研究的重 术是当前最基本、最关键和最急迫的技术 点晷件。I994年，Federico Capasso等人率先发明 2)高速率信号调制技术。太赫兹频段非常宽 0CL。2000年，中国率先研制出5至8微米波段半 适合高速率的信号传输，速率可达10Gb/s以上，超 导体QCL。2002年，意大利和英国研制出了 过了电调制方式，传统的无线通信电调制技术已不 4.4T mW(温度8K)的Q 此后 话用，必须针对太赫兹波渐信和网络中的调制编码 网络协议等关键技术进行研究。 CL达到了2.1THz、连续被功率1mW(温度93 )太赫兹波信号放大技术 太赫兹波的辐射 K)、脉冲功率20mW。2005年，美国研制出137K、 功率低，无法满足通信的正常要求，因此，要依据 200mW的0CL。2007年，哈佛研发出170K,3TH 选定的太赫兹波通信频段，解决信号放大技术问题 的QCL。2009年，Kumar等人研制出基于对角跃迁 4)信号检处理技术。主要是指太赫兹被信 的186K,3.9THz的 201d 号光申子拾别技术及其梦撞成申信号后的高速信号 年8月，美国和英国利用 种“超材料”研制成功器 处理技术 型太赫兹半导体激光器，使光被准直性能与传统 5)天线收发技术。太赫兹波辐射的功率比较 赫兹光源相比显著改善。中国科学院在“十五”期 低，为了保证通信质量，天线总体结构要紧凑 轻 间研制了射桶率为3.2THz的0CL2014年2日 稳定可靠。高增益的太赫兹天线辐射技术是需 17日，英因利兹大学开发出了世界上功率大的太 决的关键技术之 赫兹激光器芯片 6)宽带大容量信息处理技术。太赫兹被通日 2013年维也纳团队的记录高出 可传输极高容量的信息，为更好地利用太赫兹频段 隧道二极管(RTD)是通过量子共振隧穿效应工作 的传输容量，太赫兹宽带大容量信息处理技术也是 的纳米器件，也是目前正在研究的关键器件之 要研究的关键技术】 2013年12月16日，日本开发出了可在室温下T 太赫波的捕获，跟踪和准(A四)技术 作、基本振荡频率为1.42THz的共振隧道二极管。 太赫兹波在低频 段的波束发散角较 ,接收端捕我 2.1.2 子学太赫兹辐射源 波束较容易。但在高频段，靠近光波段，波束比较 该类辐射源主要是通过超短激光脉冲、红外光 窄，如果不用APT系统，接收到的太赫兹波信号会 泵浦、非线性差频及参量过程等儿种方式产生的 产生较大误差，无法正常通信。因此，APT技术也是 其中，利用超短激光脉冲产生辐射波是当前研究的 太赫兹波通信技术必须考虑的关键技术。 重点，主要有两种方式：①利用瞬时光电导。即在光 8)太赫兹波通信系统总体技术。由于太赫兹 电导的表面淀积金屈，制成偶极天线电极，再利用飞 350 1004.2014Chi All rights www.cnki.ne
5)相干探测系统如图 6 所示，该系统结复杂， 灵敏度高，可以探测频率调制和相位调制的微弱太 赫兹信号。 图 6 相干探测系统 Fig． 6 Coherent detection system 1． 4 太赫兹波通信系统关键技术 目前，正在研究中的太赫兹波通信关键技术主 要包括［4 － 5］: 1)关键器件技术。主要包括:常温下可连续辐 射的大功率、小体积太赫兹波辐射源;常温下高灵敏 度太赫兹波检测器件和技术;太赫兹波传输器件如 传输波导、谐振系统等。其中，高效太赫兹辐射源技 术是当前最基本、最关键和最急迫的技术。 2)高速率信号调制技术。太赫兹频段非常宽， 适合高速率的信号传输，速率可达10 Gb / s以上，超 过了电调制方式，传统的无线通信电调制技术已不 适用，必须针对太赫兹波通信和网络中的调制编码、 网络协议等关键技术进行研究。 3) 太赫兹波信号放大技术。太赫兹波的辐射 功率低，无法满足通信的正常要求，因此，要依据所 选定的太赫兹波通信频段，解决信号放大技术问题。 4)信号检测处理技术。主要是指太赫兹波信 号光电子检测技术及其转换成电信号后的高速信号 处理技术。 5)天线收发技术。太赫兹波辐射的功率比较 低，为了保证通信质量，天线总体结构要紧凑、轻巧、 稳定可靠。高增益的太赫兹天线辐射技术是需要解 决的关键技术之一。 6)宽带大容量信息处理技术。太赫兹波通信 可传输极高容量的信息，为更好地利用太赫兹频段 的传输容量，太赫兹宽带大容量信息处理技术也是 需要研究的关键技术。 7)太赫兹波的捕获、跟踪和瞄准(APT) 技术。 太赫兹波在低频段的波束发散角较大，接收端捕获 波束较容易。但在高频段，靠近光波段，波束比较 窄，如果不用 APT 系统，接收到的太赫兹波信号会 产生较大误差，无法正常通信。因此，APT 技术也是 太赫兹波通信技术必须考虑的关键技术。 8)太赫兹波通信系统总体技术。由于太赫兹 波处于光学理论和电子学理论的交叉地带，其通信 技术体制应有别于现有通信技术体制，需要开展相 关研究。 2 太赫兹波通信技术研究现状 目前太赫兹波通信技术的研究主要集中在:太 赫兹波辐射源技术、太赫兹波信号调制技术、太赫兹 波信号探测技术、天线技术、太赫兹波通信系统总体 技术等［6］。 2． 1 太赫兹波辐射源技术 2． 1． 1 半导体太赫兹波辐射源 半导体太赫兹波辐射源一般体积小、可调谐、使 用方便。较为常见的有 Impatt、Gun 振荡器、共振隧 道二极管(ＲTD) 及量子级联激光器(QCL) 等。其 中，QCL 以异结构半导体(GaAs /AIGaAs)的导带中 的次能级间的跃迁为基础，利用纵向光学声子的谐 振产生粒子数反转的一种激光器，是正在研究的重 点器件。1994 年，Federico Capasso 等人率先发明 QCL。2000 年，中国率先研制出 5 至 8 微米波段半 导体 QCL。2002 年，意 大 利 和 英 国 研 制 出 了 4． 4 THz、2 mW(温度 8 K)的 QCL。此后，逐渐降低 频率，提升了脉冲的功率。2004 年，美国研制的 QCL 达到了2． 1 THz、连续波功率1 mW ( 温度 93 K)、脉冲功率20 mW。2005 年，美国研制出137 K、 200 mW的 QCL。2007 年，哈佛研发出170 K、3 THz 的 QCL。2009 年，Kumar 等人研制出基于对角跃迁 的186 K、3． 9 THz的 QCL，峰值功率达5 mw。2010 年 8 月，美国和英国利用一种“超材料”研制成功新 型太赫兹半导体激光器，使光波准直性能与传统太 赫兹光源相比显著改善。中国科学院在“十五”期 间研制了激射频率为3． 2 THz的 QCL。2014 年 2 月 17 日，英国利兹大学开发出了世界上功率最大的太 赫兹激光器芯片―― QCL，输出功率超过了1 W，比 2013 年维也纳团队的记录高出一倍以上［7］。共振 隧道二极管(ＲTD) 是通过量子共振隧穿效应工作 的纳米器件，也是目前正在研究的关键器件之一。 2013 年 12 月 16 日，日本开发出了可在室温下工 作、基本振荡频率为1． 42 THz的共振隧道二极管。 2． 1． 2 光学和光子学太赫兹辐射源 该类辐射源主要是通过超短激光脉冲、红外光 泵浦、非线性差频及参量过程等几种方式产生的。 其中，利用超短激光脉冲产生辐射波是当前研究的 重点，主要有两种方式:①利用瞬时光电导。即在光 电导的表面淀积金属，制成偶极天线电极，再利用飞 · 053 · www． txjszz． com 通信技术 2014 年
第47卷 李纪舟，蒋文涛：太赫蕊波通信技未研究现状及展望 第4期 秒激光照射电极之间的光电导半导体材料，会瞬的 5)扩展互作用振荡器(EI0)。CP1公司于200 在表面产生大量电子空穴对，形成光电流，进而产4 年研制出220GHz的EI0,电压1kV,电流105A,平 太赫兹辐射：②利用光整流。即利用电光晶体作为 均功率6W,具有2%的机械调谐，重量不超过3kg。 非线性介质，使超快激光脉冲进行二阶非线性光学 德国FGAN公司研制出了220GHz,脉冲功率35W、 时程或者高阶非线性业学讨程来产生太赫兹申磁脉 占空比0.005%的EI0. 中。甘发屏了很多基王飞秒光脉冲和非 6)单行我子光电二极管(LT℃-pD)。2004 学品体的太赫兹激光源。 如太赫兹光导天线 年，研制成功以单行电子作 活性载流了的新型光 非线性差频、 光整流、太赫兹参量振荡器和光学 极管，具有高速度和高饱和输出特性，输出功名 Cherenkov辐射和放大器(TPG,TPO,TPA)等等。 为2.6uW,频率1.04TH,适合在10Gb/s的THz无 2.1.3真空电子学太赫兹波辐射源 线通信中应用。 真空电子学太赫兹波辐射源主要包括：相对论 2.1.4太赫兹波发射子系统的其他技术 电子器件、太赫兹纳米速调管、太赫兹回旋管、太赫 1)太赫兹波真空放大墨。2013年12月，美国 兹返波振荡器(BWO)、扩展互作用振荡器(EIO) 国防部高级研究计划局使用微型真空集热管，设计 及单行载流子光电 极管(UTC 并演示了一个0.85THz的功率放大器，这是世界 1)相对论电子器件。 主要包括：自由电子激光 个微型真空管 器(EL)、等离子体尾场契伦科夫辐射和储存环太 2)太赫兹波带通滤波器。2009年9月，Ua大 林兹福射瓶。其中，下的须谱诈续可调、范围广 学利用表面等离极化激元(plasmonpolariton)技术 蜂值功率及平均功率较大、相干性好。2012年1 研制出全球首款带通滤被器，中央频率为每秒1万 月.美国利用eV静电加速翠的,在2 到 7周期 500微米，0.15~6T,产生1kW的准连续波 3)石愚烯天线技术。2013年3月，佐治亚理 存环太赫兹辐射源，可产生0.03 30THz的太赫兹 学院提出研制石墨烯天线构想，希望在 一年内造 波，亮度超过现有辐射源9个数量级 出模型，实现超臣离内无线数据传输速度达到光 2)太赫滋波纳米速调管，该墨件将微电子 位秒。 石墨烯(Graphene)是 一种由碳原子构成的 工技术、纳米技术和真空电子器件技术融合在一起 单层片状结构的新材料，呈蜂窝状点阵结构，是目前 能产生级的给出功率，由压低，不需要磁场， 己知导电性能最出色的材料，导电速度比硅快50至 有低色散、长工作寿命等特点。 前 美国研制出频 500倍。由石墨烯材料制制成的天线，能够以Tz 率为0.3 3.0TH ,当工作电压为500V时，连续 须率工作，远超目前常规的Hz、CHz天线」 出功率可高达50mW的纳米速调管 2.2 太赫兹波信号调制技术 3)太赫兹回旋管。回旋管是快波器件，能在很 2003年，Kersting等人利用AIGaAs/GaAs量子 高的须率下产生高歌冲功率，可达到千有级，平均功 阱实现低温环境下的太赫兹波信号的相位调制 率也较高。美国海军研制出只有超高磁场(16.6T) 205年Lm等人通过低温生长的GaA 成偶花 的太赫兹回旋管振荡器，工作频率为500 天线制成 心 在0.3 4 THz 00cem、 000 瓦。日本Fukui大学研张 带宽20kHz的调制解调器。2006年Chen等人利月 出了0.889THz,输出功率达数万瓦的太赫兹回旋 周期结构的人工复合媒质，实现电压幅度调制，幅度 管。俄罗斯正在研制1THz的回旋管，脉宽100s g制率达到50%。2009年，H.T.Chen尊思出了线 脉冲磁场40T,电流5A,电压30kV,输出功率可达 性电控超材料相位调制器，外加16V偏压时，在 10kW。我国成都电子料技大学分别于2008年和 0.81THz频点处，材料诱射系数由无外加偏压时的 2009年在国内首次成功研制了0.22THz脉冲功率 幅下降50g%,在 大于2kW的 次谐波和0.42Tz脉冲功率千瓦级 TH括 可 2012年1 次谐沙 T回旋 月，诺特丹大学研发了用石墨烯设计的宽带太赫兹 4)太赫兹返波振荡器(BWO)。BW0是一种结 波调制器，可以在很大的频率范围内调制太赫兹被 典电真空微波源慢波器件。俄罗斯研制的BW0可 处理能力是之前的太赫兹宽带调制器的两倍多。 以产生180-1110GHz、输出功率3-50mW的电 前，美国正尝试利用电磁波代替电流信号制造新型 磁辐射。美国NASA正在开发工作频率300GHz 太林兹波信号调制器，期望传输速率达到每秒万亿 L.5THz的BWO。 字节，比目前的电流调制系统快1O0倍。 351 1994-2014 China Academic Joumal Electronic Publishing House.All rights reserved. http://www.cnki.ne
秒激光照射电极之间的光电导半导体材料，会瞬时 在表面产生大量电子空穴对，形成光电流，进而产生 太赫兹辐射;②利用光整流。即利用电光晶体作为 非线性介质，使超快激光脉冲进行二阶非线性光学 过程或者高阶非线性光学过程来产生太赫兹电磁脉 冲。目前已经发展了很多基于飞秒激光脉冲和非线 性光学晶体的太赫兹激光源。如太赫兹光导天线、 非线性差频、光整流、太赫兹参量振荡器和光学 Cherenkov 辐射和放大器(TPG，TPO，TPA)等等。 2． 1． 3 真空电子学太赫兹波辐射源 真空电子学太赫兹波辐射源主要包括:相对论 电子器件、太赫兹纳米速调管、太赫兹回旋管、太赫 兹返波振荡器(BWO)、扩展互作用振荡器(EIO)以 及单行载流子光电二极管(UTC － PD)。 1)相对论电子器件。主要包括:自由电子激光 器(FEL)、等离子体尾场契伦科夫辐射和储存环太 赫兹辐射源。其中，FEL 的频谱连续可调、范围广、 峰值功率及平均功率较大、相干性好。2012 年 1 月，美国利用 lMeV 静电加速器的 FEL，在2 mm到 500 微米，0． 15 ～ 6 THz，产生l kW的准连续波。储 存环太赫兹辐射源，可产生 0． 03 ～ 30 THz的太赫兹 波，亮度超过现有辐射源 9 个数量级。 2) 太赫兹波纳米速调管。该器件将微电子加 工技术、纳米技术和真空电子器件技术融合在一起， 能产生毫瓦级的输出功率，电压低，不需要磁场，具 有低色散、长工作寿命等特点。目前，美国研制出频 率为 0． 3 ～ 3． 0 THz，当工作电压为500 V时，连续波 输出功率可高达50 mW的纳米速调管 3) 太赫兹回旋管。回旋管是快波器件，能在很 高的频率下产生高脉冲功率，可达到千瓦级，平均功 率也较高。美国海军研制出具有超高磁场(16． 6T) 的太 赫 兹 回 旋 管 振 荡 器，工 作 频 率 为 500 ～ 1 000 GHz，输出功率数百瓦。日本 Fukui 大学研制 出了0． 889 THz，输出功率达数万瓦的太赫兹回旋 管。俄罗斯正在研制1 THz的回旋管，脉宽100 μs， 脉冲磁场40 T，电流5 A，电压30 kV，输出功率可达 10 kW。我国成都电子科技大学分别于 2008 年和 2009 年在国内首次成功研制了0． 22 THz脉冲功率 大于2 kW的一次谐波和0． 42 THz脉冲功率千瓦级 二次谐波 THz 回旋管。 4)太赫兹返波振荡器(BWO)。BWO 是一种经 典电真空微波源慢波器件。俄罗斯研制的 BWO 可 以产生 180 ～ 1 110 GHz、输出功率 3 ～ 50 mW的电 磁辐射。美国 NASA 正在开发工作频率300 GHz ～ 1． 5 THz的 BWO。 5)扩展互作用振荡器(EIO)。CPI 公司于 2007 年研制出220 GHz的 EIO，电压1 kV，电流105 A，平 均功率6 W，具有 2% 的机械调谐，重量不超过3 kg。 德国 FGAN 公司研制出了220 GHz、脉冲功率35 W、 占空比 0． 005% 的 EIO。 6)单行载流子光电二极管(UTC － PD)。2004 年，研制成功以单行电子作为活性载流子的新型光 电二极管，具有高速度和高饱和输出特性，输出功率 为2． 6 μW，频率1． 04 THz，适合在10 Gb / s的 THz 无 线通信中应用。 2． 1． 4 太赫兹波发射子系统的其他技术 1)太赫兹波真空放大器。2013 年 12 月，美国 国防部高级研究计划局使用微型真空集热管，设计 并演示了一个0． 85 THz的功率放大器，这是世界上 第一个微型真空管。 2)太赫兹波带通滤波器。2009 年 9 月，Utah 大 学利用表面等离极化激元( plasmonpolariton) 技术， 研制出全球首款带通滤波器，中央频率为每秒 1 万 亿周期。 3)石墨烯天线技术。2013 年 3 月，佐治亚理工 学院提出研制石墨烯天线构想，希望在一年内制造 出模型，实现短距离内无线数据传输速度达到兆兆 位/秒。石墨烯(Graphene)是一种由碳原子构成的 单层片状结构的新材料，呈蜂窝状点阵结构，是目前 已知导电性能最出色的材料，导电速度比硅快 50 至 500 倍。由石墨烯材料制制成的天线，能够以 THz 频率工作，远超目前常规的 MHz、GHz 天线。 2． 2 太赫兹波信号调制技术 2003 年，Kersting 等人利用 AIGaAs /GaAs 量子 阱实现低温环境下的太赫兹波信号的相位调制; 2005 年 Liu 等人通过低温生长的 GaAs 制成偶极子 天线制成中心频率在 0． 3 ～ 0． 4 THz、100 cm、系统 带宽20 kHz的调制解调器。2006 年 Chen 等人利用 周期结构的人工复合媒质，实现电压幅度调制，幅度 调制率达到 50% 。2009 年，H． T． Chen 等提出了线 性电控超材料相位调制器，外加 16 V 偏压时，在 0． 81 THz频点处，材料透射系数由无外加偏压时的 0． 56 下 降 到 0． 25，透 射 振 幅 下 降 了 50% ，在 0． 89 THz频点处，可实现 π/6 的相移。2012 年 11 月，诺特丹大学研发了用石墨烯设计的宽带太赫兹 波调制器，可以在很大的频率范围内调制太赫兹波， 处理能力是之前的太赫兹宽带调制器的两倍多。目 前，美国正尝试利用电磁波代替电流信号制造新型 太赫兹波信号调制器，期望传输速率达到每秒万亿 字节，比目前的电流调制系统快 100 倍。 · 153 · 第 47 卷 李纪舟，蒋文涛:太赫兹波通信技术研究现状及展望 第 4 期
www.txjszz.com 通信技术 2014年 2.3太赫兹波信号探测技术 3.8T ,2010年，德国研制了300G信道测量系 2.3.1传统探测技术 统，实现了96Mb/s的DVB-S2数字信号的传输传 基于传统手段的探测技术主要有超导混频技术 输距离达到了52m。2010年，中国利用0CL作为 (SS)、热电子测热电阻(HEB)混频技术和肖特基 发射源，光导型QWP作为探测器，实现了太赫蕊无 线音频信号的传输，系统带赛580kHz左右，领整 势垒二极管(SBD)技术。SIS想顿率约为0.1· 1.2THz,需在清氨温度下工作。HEB士要用平餐 4.1THz,传输距离达2 2010年，中国研制 测1THz以上的辐射信号，最高深测频率达5THz,噪 0.14THz16QAM、10Gh/的太赫兹波通信系统 声温度约为量子极限的10倍。 目前，SBD技术运用 完成了0.5km无线传输实验（软件解调），突豉 的比较广泛 300K温度内的直接式探 2Gh/s实时解调、均衡与译码技术，调试成功2Gb/: 器，也可用作外差式接收单元混频器的非线性元件 160AM的实时解调样机。2011年完成了 2012年11月，中国研制出截止频率达到3.37THz 0.14Tz、1,5km的2Gh1s无线传输实时解调实验 的太赫兹肖特基二极管。 和10Gb/s的软件解调实验 2011 年11月，罗姆 2.3.2时域光谱探测技术 大阪大学将共振隧道二极管(RTD)作为振荡元 目前研究的时域光谱探测技术主要包括回：① 和检测元件，在室温下实现300GHz、1.5Gh/s的无 光电导相干探测技术，使用光电导半导体天线进有 线通信系统。2012年，他们又搭建了2.4m通信链 接收，利用探测光在半导体上产生的光电流与太满 路，最大传输速率可达5M仙/s,系统延时为220ns」 滋驱动电场成正比的特性，测量太赫兹波的腰间申 2012年，中国研制出了国内首部基于光电结合的 场：②电光探测技术：即将钛宝石激光器提供的飞秒 0.1TH全周态高速无线通信系统，传输速率 脉资激光脉冲分成两束，一衷较福的激光束通过 11Gb/s。2013年，中国完成了3.9THz波的实时视 迟成为系浦光，激发发射器产生电磁波，另 束激》 频通信演示。2013年5月，德国研制出在240GH 束作为探测 与太赫兹波脉冲汇 频率下，以40G弘/s传播超过】公里的太抹燕波酒信 合后同步通过电 晶体，把太赫滋波在电光品体上引起的折射率变化 试验系统。同年10月，又创建了一个工作在 转变成探测光强的变化，再用平衡二极管接收并给 237.5G频率的无线通信系统，创下了100Gb/s的 入锁相放大器，然后再经计算机进行处理和显示。 无线数据传输速率记录。 2.3.3绸啾脉冲光谱仪探测技术 该技术 产生自传统的太赫兹互相关探测技术 3 太赫兹波通信技术应用展望 太林兹波以比独有的特性，使太赫滋波通信出 。但是，由于该技术中的光谱 微波和光通信拥有许多优势，决定了太赫兹波在高 仪引入了傅立叶变换，在时间分辨率上有限制，使太 速短距离无线道 ,光纤载太赫兹波通信 抹芯计被形发生了骑 (TO)、宽带无线安全接入 、宽带通信和高速信 2.3.4量子阱探测器(OWP QWP是应用在太赫兹波段的 网、空间通信、军事保密通信等方面均有广阔的应用 一种新型量子阴 前量知 红外光电探测器，是基于带内光致激发，将导带阱内 1)高速短距离无线通信。太林兹波在空中 的束缚态电子激发到连续态。它一般采用GAs 播时极易被空气中的水分吸收，因此，比较适合 AIGaAs材料，具有较强的光谱分辨率，是一种窄带 距离通信：辐射方向性好，可用于战场中的短距离元 探测器。 向保密通讯：频率高，波长相对更短，天线的尺寸可 2.4太赫兹被通信系统技术 以更小，波束更窄、方向性更好，具有更强的抗干扰 2007年，日本研制出0.12THz、调制为ASK 能力，可实现25km内的保密通信。 1山.1G/s的全周态太赫兹波通信系统，实现了远距 2)光红太林滋波涌信系统(TO)。太滋 离(800 m)同时传输6路未压缩 清电视信号的 在空 传播时， 易被水蒸气强吸收，进行长距离 能力，己成功应用于2008年的北京奥运会。200 输时具有很大的损耗。并且，电磁辐射对人体安今 年，德国研制出传输距离22m、300GH2的太赫兹波 的影响比较大。因此，实现了太赫兹波和光线之间 通信系统。2009年，加拿大完成了基于QCL和 转换的光纤波导太赫兹波通信系统是未来应用场景 0印的全光学通信轴路演示实验，通信须点为 352 1994-2014 China Academic Joumal Electronic Publishing All rights ve www.cnki.ne
2． 3 太赫兹波信号探测技术 2． 3． 1 传统探测技术 基于传统手段的探测技术主要有超导混频技术 (SIS)、热电子测热电阻(HEB) 混频技术和肖特基 势垒二极管( SBD)技术。SIS 探测频率约为 0． 1 ～ 1． 2 THz，需在液氦温度下工作。HEB 主要用于探 测1 THz以上的辐射信号，最高探测频率达5 THz，噪 声温度约为量子极限的 10 倍。目前，SBD 技术运用 的比较广泛，可用在 4 ～ 300 K温度内的直接式探测 器，也可用作外差式接收单元混频器的非线性元件。 2012 年 11 月，中国研制出截止频率达到3． 37 THz 的太赫兹肖特基二极管。 2． 3． 2 时域光谱探测技术 目前研究的时域光谱探测技术主要包括［7］:① 光电导相干探测技术，使用光电导半导体天线进行 接收，利用探测光在半导体上产生的光电流与太赫 兹驱动电场成正比的特性，测量太赫兹波的瞬间电 场;②电光探测技术;即将钛宝石激光器提供的飞秒 脉宽激光脉冲分成两束，一束较强的激光束通过延 迟成为泵浦光，激发发射器产生电磁波，另一束激光 束作为探测光与太赫兹波脉冲汇合后同步通过电光 晶体，把太赫兹波在电光晶体上引起的折射率变化 转变成探测光强的变化，再用平衡二极管接收并输 入锁相放大器，然后再经计算机进行处理和显示。 2． 3． 3 啁啾脉冲光谱仪探测技术 该技术产生自传统的太赫兹互相关探测技术， 克服了互相关技术中测量速度较慢的缺点，时间分 辨率与信噪比较高［8］。但是，由于该技术中的光谱 仪引入了傅立叶变换，在时间分辨率上有限制，使太 赫兹时间波形发生了畸变。 2． 3． 4 量子阱探测器(QWP) QWP 是应用在太赫兹波段的一种新型量子阱 红外光电探测器，是基于带内光致激发，将导带阱内 的束缚态电子激发到连续态。它一般采用 GaAs / AIGaAs 材料，具有较强的光谱分辨率，是一种窄带 探测器。 2． 4 太赫兹波通信系统技术 2007 年，日本研制出0． 12 THz、调制为 ASK、 11． 1 Gb / s的全固态太赫兹波通信系统，实现了远距 离( ＞ 800 m)同时传输 6 路未压缩高清电视信号的 能力，己成功应用于 2008 年的北京奥运会。2008 年，德国研制出传输距离22 m、300 GHz的太赫兹波 通信系统。2009 年，加拿大完成了基于 QCL 和 QWP 的全光学通信链路演示实验，通信频点为 3． 8 THz。2010 年，德国研制了300 GHz信道测量系 统，实现了96 Mb / s的 DVB － S2 数字信号的传输，传 输距离达到了52 m。2010 年，中国利用 QCL 作为 发射源，光导型 QWP 作为探测器，实现了太赫兹无 线音频信号的传输，系统带宽580 kHz左右，频率 4． 1 THz，传输距离达2 m。2010 年，中国研制了 0． 14 THz、16 QAM、10 Gb / s的太赫兹波通信系统， 完成了0． 5 km 无线传输实验 ( 软 件 解 调)，突 破 2 Gb / s实时解调、均衡与译码技术，调试成功2 Gb /s 16 QAM 的 实 时 解 调 样 机。 2011 年 完 成 了 0． 14 THz、1． 5 km的2 Gb / s无线传输实时解调实验 和10 Gb / s的软件解调实验。2011 年 11 月，罗姆和 大阪大学将共振隧道二极管(ＲTD) 作为振荡元件 和检测元件，在室温下实现300 GHz、1． 5 Gb / s的无 线通信系统。2012 年，他们又搭建了2． 4 m通信链 路，最大传输速率可达5 Mb / s，系统延时为220 ns。 2012 年，中国研制出了国内首部基于光电结合的 0． 1 THz全固态高速无线通信系统，传输速率可达 11 Gb / s。2013 年，中国完成了3． 9 THz波的实时视 频通信演示。2013 年 5 月，德国研制出在240 GHz 频率下，以40 Gb / s传播超过 1 公里的太赫兹波通信 试验 系 统。同 年 10 月，又 创 建 了 一 个 工 作 在 237． 5 GHz频率的无线通信系统，创下了100 Gb / s的 无线数据传输速率记录。 3 太赫兹波通信技术应用展望 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、光纤载太赫兹波通信系统 (TOF)、宽带无线安全接入、宽带通信和高速信息 网、空间通信、军事保密通信等方面均有广阔的应用 前景［1，9］。 1)高速短距离无线通信。太赫兹波在空中传 播时极易被空气中的水分吸收，因此，比较适合于短 距离通信;辐射方向性好，可用于战场中的短距离定 向保密通讯;频率高，波长相对更短，天线的尺寸可 以更小，波束更窄、方向性更好，具有更强的抗干扰 能力，可实现 2 ～ 5 km内的保密通信。 2)光纤载太赫兹波通信系统(TOF)。太赫兹波 在空气传播时，容易被水蒸气强吸收，进行长距离传 输时具有很大的损耗。并且，电磁辐射对人体安全 的影响比较大。因此，实现了太赫兹波和光线之间 转换的光纤波导太赫兹波通信系统是未来应用场景 之一。 · 253 · www． txjszz． com 通信技术 2014 年