6G背后的太赫茲技術(shù)是怎么回事

隨著全球首份6G白皮書(shū)的發(fā)布，標(biāo)志著6G的研究已經(jīng)在路上，這多少有些讓人猝不及防，5G還沒(méi)有使用上，轉(zhuǎn)眼就已經(jīng)開(kāi)始研究6G了。

而從6G白皮書(shū)以及各國(guó)提出的方案來(lái)看，都把一項(xiàng)技術(shù)作為了突破口——太赫茲，究竟什么是太赫茲呢？今天我們就一起來(lái)了解一下！

太赫茲，實(shí)際上是一個(gè)頻率單位，1THz=1000GH，人們對(duì)太赫茲研究主要在0.1THz~10THz之間。

太赫茲波又稱(chēng)遠(yuǎn)紅外波，波長(zhǎng)在0.03mm-3mm之間，比微波更短，該范圍兩側(cè)的微波與紅外線均已有了廣泛的應(yīng)用，它是電磁波段中最后一段未被人類(lèi)充分認(rèn)識(shí)和應(yīng)用波段，故而這一頻段有個(gè)外號(hào)叫做“太赫茲鴻溝”。

太赫茲是一個(gè)非常特殊的存在，從頻譜上看，太赫茲波在整個(gè)電磁波譜中處在微波與紅外波之間;從光學(xué)領(lǐng)域看，太赫茲波被稱(chēng)為遠(yuǎn)紅外射線;從能量上看，太赫茲波段的能量介于電子和光子之間。

正是因?yàn)槠涮厥庑?，讓其具有頻率高、脈沖短、穿透性強(qiáng)，且能量很小，對(duì)物質(zhì)與人體的破壞較小等特質(zhì)。太赫茲曾被評(píng)為“改變未來(lái)世界的十大技術(shù)”之一，科學(xué)家認(rèn)為太赫茲擁有廣泛的應(yīng)用前景。

比如在空間通信方面，太赫茲波可以作為高速寬帶的通信載體。太赫茲波通信具有極高的方向性和穿透能力，因此適用于惡劣環(huán)境下的短距離保密通訊，也適用于高帶寬需求的衛(wèi)星通信領(lǐng)域。國(guó)際通訊聯(lián)盟已經(jīng)指定0.12和0.22THz兩個(gè)頻段分別用于下一代地面無(wú)線通信與衛(wèi)星間通信。

太赫茲通信系統(tǒng)

而在安全檢測(cè)方面，太赫茲波對(duì)很多非極性物質(zhì)有很強(qiáng)的穿透能力，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)和高分辨率的成像。它不僅能探測(cè)到金屬，人體攜帶的非金屬、膠體、粉末、陶瓷、液體等危險(xiǎn)物品都能被系統(tǒng)識(shí)別，在軍事偵察、可疑危險(xiǎn)品、有毒有害物品檢測(cè)等方面提供技術(shù)保證。

在生物醫(yī)學(xué)上面，太赫茲的頻段能夠直接探測(cè)到生物分子的信息，這是其他電磁波段無(wú)法無(wú)法比擬的。因此可以對(duì)食品中的地溝油、蔬菜水果中的農(nóng)藥、奶粉中的三聚氰胺等進(jìn)行檢測(cè)。

太赫茲對(duì)食品的檢測(cè)

由于太赫茲波很容易被水分子或氧氣分子等極性物質(zhì)吸收，所以該輻射不會(huì)穿透人體的皮膚，對(duì)人體是很安全的。同時(shí)水和其他組織對(duì)太赫茲波具有不同的吸收率，因此它可廣泛應(yīng)用于對(duì)人體局部成像和疾病的醫(yī)療診斷上，比如對(duì)于皮膚癌和乳腺癌等的檢測(cè)。

不久前，中國(guó)科學(xué)院重慶綠色智能技術(shù)研究院太赫茲技術(shù)研究中心就表示太赫茲波能直接“看到”DNA、蛋白質(zhì)等生物大分子，而這有助于早期癌癥的防治，對(duì)癌癥患者而言，早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷有助于癌癥的根治。

當(dāng)患者處于癌癥早期時(shí)，癌細(xì)胞在人體血液或體液內(nèi)的含量雖然非常少，但太赫茲波技術(shù)卻能比傳統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)提早6個(gè)月左右。

中國(guó)工程物理研究院還在國(guó)際首次腦膠質(zhì)瘤太赫茲技術(shù)診治的研究成果，獲取了腦膠質(zhì)瘤太赫茲波段的折射率、吸收系數(shù)、介電常數(shù)，消除了水分的影響，更能反映腦膠質(zhì)瘤和正常腦組織的本身特性變化;并且給出了適合不同成像方式（連續(xù)波成像、脈沖成像）的太赫茲頻段范圍和頻率點(diǎn)，能夠有效指導(dǎo)腦膠質(zhì)瘤太赫茲成像，為太赫茲光譜與成像技術(shù)應(yīng)用于腦膠質(zhì)瘤診斷墊定了基礎(chǔ)。在應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)研究的太赫茲源方面，獲得了峰值功率接近1MW的太赫茲脈沖輻射，提高了太赫茲生物醫(yī)學(xué)診斷系統(tǒng)的信噪比。

可以說(shuō)，在生物醫(yī)學(xué)方面，太赫茲技術(shù)擁有非常廣闊的前景。

而在通信上，太赫茲一直被認(rèn)為是6G的關(guān)鍵技術(shù)，被認(rèn)為是無(wú)線通信技術(shù)的未來(lái)，太赫茲根據(jù)通信原理，頻率越高，允許分配的帶寬范圍越大，單位時(shí)間內(nèi)所能傳遞的數(shù)據(jù)量就越大，也就是我們通常說(shuō)的“網(wǎng)速變快了”。

如果我們真的在6G時(shí)代可以成熟運(yùn)營(yíng)太赫茲技術(shù)，單從頻率上來(lái)講，6G的網(wǎng)速將會(huì)是5G的10倍左右。除此之外，太赫茲還兼具微波通信以及光波通信的優(yōu)點(diǎn)，即傳輸速率高、容量大、方向性強(qiáng)、安全性高及穿透性強(qiáng)等。

科學(xué)家還想把太赫茲做在衛(wèi)星上，因?yàn)樵谕馓?，近似真空的狀態(tài)下，不用考慮水分的影響，這將比當(dāng)前的超寬帶技術(shù)快幾百至一千多倍，能夠?qū)崿F(xiàn)萬(wàn)級(jí)以上的帶寬。

這也是為什么各個(gè)國(guó)家都想在太赫茲技術(shù)上取得突破的原因。一旦在6G時(shí)代掌握主動(dòng)權(quán)，那么就掌握了全球經(jīng)濟(jì)的主導(dǎo)權(quán)。這也是為什么美國(guó)一直不爽中國(guó)是全球5G領(lǐng)先者的原因，專(zhuān)利數(shù)據(jù)公司IPlytics公司發(fā)布了5G專(zhuān)利競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)報(bào)告曾指出：5G將促進(jìn)數(shù)以萬(wàn)計(jì)的新產(chǎn)品、新技術(shù)和新服務(wù)的產(chǎn)生，并將提高生產(chǎn)力，創(chuàng)造新產(chǎn)業(yè)。全球5G網(wǎng)絡(luò)將統(tǒng)一移動(dòng)通信，并通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）將萬(wàn)事萬(wàn)物連接到一起。5G技術(shù)可以將車(chē)輛、船舶、建筑物、儀表、機(jī)器和其他實(shí)體物品與電子、軟件、傳感器和云連接起來(lái)，嵌入式5G技術(shù)將允許機(jī)器在物理世界中交換信息、集成到基于計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)中。近年來(lái)，3G和4G的專(zhuān)利權(quán)人控制了智能手機(jī)行業(yè)中移動(dòng)技術(shù)的利用方式。因此5G的專(zhuān)利權(quán)人也可能通過(guò)在各個(gè)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)5G連接而成為技術(shù)和市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。

也正是因?yàn)槊绹?guó)在5G不領(lǐng)先，所以才會(huì)想要在6G中扳回一局，所以對(duì)于太赫茲技術(shù)的研發(fā)可以說(shuō)十分迫切。2019年，美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)（FCC）投票，一致決定開(kāi)放面向未來(lái)6G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的“太赫茲”頻譜，用于創(chuàng)新者開(kāi)展6G技術(shù)試驗(yàn)。

而日本2005年就將太赫茲技術(shù)列為“國(guó)家支柱十大重點(diǎn)戰(zhàn)略目標(biāo)”之首，舉全國(guó)之力進(jìn)行研發(fā)。

目前，日本在太赫茲技術(shù)研究上已經(jīng)處于世界先進(jìn)行列，日本廣島大學(xué)在全球最先實(shí)現(xiàn)了基于CMOS低成本工藝的300GHz頻段的太赫茲通信。此外，日本在太赫茲等各項(xiàng)電子通信材料領(lǐng)域“獨(dú)步天下”，幾乎達(dá)到壟斷地位，這是其發(fā)展6G的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

總而言之，太赫茲技術(shù)可以說(shuō)在具有廣闊而無(wú)限的前景。但目前受限于當(dāng)前太赫茲波源和太赫茲波探測(cè)技術(shù)的發(fā)展不成熟，太赫茲波段與傳輸控制相關(guān)的基礎(chǔ)功能器件目前非常匱乏，而這些器件是構(gòu)建未來(lái)太赫茲應(yīng)用技術(shù)框架所必不可少的組成部分。

除此之外，對(duì)太赫茲來(lái)說(shuō)，其對(duì)濾光片、探測(cè)器等頗為苛刻的要求也制約了其應(yīng)用的前景。

盡管這些領(lǐng)域的研究已經(jīng)進(jìn)行了二十多年，但與激光技術(shù)相比，太赫茲技術(shù)所需要的許多關(guān)鍵器件還是十分有限的，很多技術(shù)尚待開(kāi)發(fā)，甚至一些基礎(chǔ)理論研究也是急需發(fā)展的。

德國(guó)固態(tài)物理研究所（IAF）、德國(guó)聯(lián)邦物理技術(shù)研究院（PTB）、Braunschweig 大學(xué)、日本NTT、美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室、加拿大多倫多大學(xué)、法國(guó)IEMN、美國(guó)Asyrmatos 通信系統(tǒng)公司等在太赫茲技術(shù)研究上投入了巨大的精力。

日本NTT公司的120 GHz寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)

歐盟2017 年成立的由德國(guó)、希臘、芬蘭、葡萄牙、英國(guó)等跨國(guó)TERRANOVA 計(jì)劃，明確提出研發(fā)超高速太赫茲創(chuàng)新無(wú)線通信技術(shù)。

目前太赫茲技術(shù)正逐步向更高速率、更高大氣窗口頻率以及低功耗與小型集成化和實(shí)用化方向發(fā)展，截至現(xiàn)在太赫茲通信技術(shù)形成了基于微波光子學(xué)的光電結(jié)合方式、全固態(tài)混頻電子學(xué)方式、直接調(diào)制方式這3 類(lèi)針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景并行發(fā)展的態(tài)勢(shì)。

日本NTT公司很早就開(kāi)發(fā)的120 GHz通信系統(tǒng)，在千米距離實(shí)現(xiàn)了10 Gbps的無(wú)線通信，并應(yīng)用于2008年北京奧運(yùn)會(huì)的節(jié)目轉(zhuǎn)播。

中國(guó)在太赫茲技術(shù)的研究上也花費(fèi)了巨大的精力，早在2016年的時(shí)間，電子科技大學(xué)率先在國(guó)際上研制出了首套直接調(diào)制方式的太赫茲通信系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)了千米級(jí)高清視頻傳輸。該系統(tǒng)采用外部高速調(diào)制器直接對(duì)空間傳輸太赫茲信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，這種調(diào)制方式較現(xiàn)有的太赫茲通信方式，具有可靈活搭配中高功率太赫茲輻射源實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信的優(yōu)點(diǎn)，有效突破了目前太赫茲通信系統(tǒng)中承載發(fā)射功率過(guò)低的問(wèn)題。目前，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0.34 THz 工作頻率吉比特每秒的高清視頻業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸。

所以，盡管目前太赫茲技術(shù)在應(yīng)用上還存在許多的問(wèn)題，但是它廣闊的前景也讓科學(xué)家們前赴后繼想要將它徹底征服，讓我們拭目以待！