星星之火，可以燎原——关于太赫兹的技术进展

news2024/9/20 19:47:45

盼望着，盼望着，5G来了，6G的脚步也近了。除了做好现有的技术工作，作为通信人还要不断关注新技术的发展，真心不易！无线数据链路的容量在过去十几年中呈指数级增长，但对更高数据速率的需求持续增加。在未来几年内，这一增长预计还会加速，甚至超过第五代（5G）无线通信6-8倍的容量。也许下一代无线通信技术会将工作频率推入太赫兹（THz）范围，以满足这一预测的需求。

就这样有关太赫兹研究的消息铺天盖地地来了，即使不能说是排山倒海，也可以说是鳞次栉比了。索性太赫兹的系统还处于“花褪残红青杏小”的阶段，并不成熟，要想解决通信系统中从信源到发射，到信道，再到接收的一揽子问题，还有太多的不完善，研究成果也是星星点点，无法形成一整套可靠而有效的系统。后面会陆续梳理一些有关太赫兹方面星星点点的技术进展，供大家了解。也真心希望星星之火，可以燎原......

太赫兹档案

太赫兹的命名来源于它的振荡频率在10^12 Hz（1THz=10^12 Hz）。电磁波谱的太赫兹部分介于光学和电子区域（红外和微波波长）之间。在电子学领域里，这一频段的电磁波又被称为毫米波和亚毫米波；而在光谱学领域，它也被称为远红外（IR：Infrared Radiation）射线。一般称谓的太赫兹波段，其频率范围为0.1～10 THz，在有些场合特指0.3～3 THz，还有些时候被赋予一种广义的定义，其频率范围可包含高达100 THz的波，这包括整个中，远红外波段，如下图所示。

自然界中拥有大量的太赫兹辐射源，我们身边绝大多数物体的热辐射都在太赫兹波段。所有发光物体的50%的能量和宇宙大爆炸的98%的光子能量都位于亚毫米波段和远红外区域。即便如此，在20世纪八十年代以前，也并没有能够高效率地产生太赫兹的发射源和灵敏的探测设备。所以不像微波和光学，太赫兹技术的发展非常的受限。

近三四十年来，随着超快光电子技术、半导体等技术的发展为太赫兹波提供了稳定、可靠的光源，太赫兹波的研究才被广泛地开展起来。特别是在太赫兹光谱和成像等技术被开发之后，太赫兹技术表现出了广泛的应用前景。如今对太赫兹波的研究涉及物理、化学和生物学等基础研究领域，一些成果已经被应用于材料、国防、医学、信息等技术领域。

从最基本的说起：

由于太赫兹波段处于电子学和光学这两个研究领域之间，所以仅仅利用电子学或者光学的技术和器件都不能完全满足太赫兹波的需要，只有结合两方面的知识，开发全新的技术和元器件，以适应太赫兹波独特的性质，才能对该波段的电磁波进行深入研究和开发利用，这就是在很长的一段时间里电磁波谱存在着一个太赫兹空隙的原因，下图显示了低频电磁波和光波发射的不同机制。

我们所熟知的右边的电路形式，是电子学领域的频率计算公式ω=1/√(LC)，或者f=1/[2π√(LC)]，其中f为频率，单位为；L为电感，单位为亨利(H)；C为电容，单位为法拉(F)。LC振荡电路,是指用电感L、电容C组成选频网络的振荡电路,用于产生高频正弦波信号。

左边光波发射的机制呢？首先要说说这个h，普朗克常量，马克思.普朗克在1900年研究物体热辐射的规律时发现，电磁波的发射和吸收不是连续的，而是一份一份地进行的。这样的一份能量叫做能量子，每一份能量子等于hν，ν为辐射电磁波的频率，h为一常量，叫为普朗克常数（6.62607015×10^-34 焦耳·秒），而ћ=h/(2π)，念做 "h拔"，是角动量的最小衡量单位，即角动量量子。普朗克常数用以描述量子化、微观下的粒子，如电子及光子。例如，一束具有固定频率 ν 的光，其能量 E可表示为：E=hν。

所以1 THz的波长为0.3mm，1 THz的光子能量为：

hν=6.62607015×10^-34 J·s × 10^12 Hz = 6.62607015×10^-22 J，

若以eV·s（电子伏特·秒）为能量单位，则1 THz的光子能量为：

hν=(6.62607015×10^-34J·s)×(10^-12Hz)/(1.602176634×10^-19J) =4.1meV

什么是电子伏特呢？一个eV是指一个电子（或其他单电荷（q=1.6*10^-19库仑）粒子）在经历1伏特的电势差时获得的能量。

1 eV=1.602176634×10^-19焦耳；1 meV，即1毫电子伏 0.001 eV。

这个能量是非常小的，相比于X射线的千电子伏特的光子能量，太赫兹辐射的光子能量在毫电子伏特的数量级。这个数量级别的能量低于各种化学键的键能，所以不会引起各种有害的电离反应，对人体和生物体是安全的，这对一些针对身体的安全检查和对生物样品的检测等应用非常重要。下图可以看到从光子能量的角度出发，各个波段的电磁波能量：