6G背后的太赫兹技术是怎么回事

随着全球首份6G白皮书的发布，标志着6G的研究已经在路上，这多少有些让人猝不及防，5G还没有使用上，转眼就已经开始研究6G了。

而从6G白皮书以及各国提出的方案来看，都把一项技术作为了突破口——太赫兹，究竟什么是太赫兹呢？今天我们就一起来了解一下！

太赫兹，实际上是一个频率单位，1THz=1000GH，人们对太赫兹研究主要在0.1THz~10THz之间。

太赫兹波又称远红外波，波长在0.03mm-3mm之间，比微波更短，该范围两侧的微波与红外线均已有了广泛的应用，它是电磁波段中最后一段未被人类充分认识和应用波段，故而这一频段有个外号叫做“太赫兹鸿沟”。

太赫兹是一个非常特殊的存在，从频谱上看，太赫兹波在整个电磁波谱中处在微波与红外波之间;从光学领域看，太赫兹波被称为远红外射线;从能量上看，太赫兹波段的能量介于电子和光子之间。

正是因为其特殊性，让其具有频率高、脉冲短、穿透性强，且能量很小，对物质与人体的破坏较小等特质。太赫兹曾被评为“改变未来世界的十大技术”之一，科学家认为太赫兹拥有广泛的应用前景。

比如在空间通信方面，太赫兹波可以作为高速宽带的通信载体。太赫兹波通信具有极高的方向性和穿透能力，因此适用于恶劣环境下的短距离保密通讯，也适用于高带宽需求的卫星通信领域。国际通讯联盟已经指定0.12和0.22THz两个频段分别用于下一代地面无线通信与卫星间通信。

太赫兹通信系统

而在安全检测方面，太赫兹波对很多非极性物质有很强的穿透能力，可以进行远距离探测和高分辨率的成像。它不仅能探测到金属，人体携带的非金属、胶体、粉末、陶瓷、液体等危险物品都能被系统识别，在军事侦察、可疑危险品、有毒有害物品检测等方面提供技术保证。

在生物医学上面，太赫兹的频段能够直接探测到生物分子的信息，这是其他电磁波段无法无法比拟的。因此可以对食品中的地沟油、蔬菜水果中的农药、奶粉中的三聚氰胺等进行检测。

太赫兹对食品的检测

由于太赫兹波很容易被水分子或氧气分子等极性物质吸收，所以该辐射不会穿透人体的皮肤，对人体是很安全的。同时水和其他组织对太赫兹波具有不同的吸收率，因此它可广泛应用于对人体局部成像和疾病的医疗诊断上，比如对于皮肤癌和乳腺癌等的检测。

不久前，中国科学院重庆绿色智能技术研究院太赫兹技术研究中心就表示太赫兹波能直接“看到”DNA、蛋白质等生物大分子，而这有助于早期癌症的防治，对癌症患者而言，早期发现、早期诊断有助于癌症的根治。

当患者处于癌症早期时，癌细胞在人体血液或体液内的含量虽然非常少，但太赫兹波技术却能比传统检测技术提早6个月左右。

中国工程物理研究院还在国际首次脑胶质瘤太赫兹技术诊治的研究成果，获取了脑胶质瘤太赫兹波段的折射率、吸收系数、介电常数，消除了水分的影响，更能反映脑胶质瘤和正常脑组织的本身特性变化;并且给出了适合不同成像方式（连续波成像、脉冲成像）的太赫兹频段范围和频率点，能够有效指导脑胶质瘤太赫茲成像，为太赫兹光谱与成像技术应用于脑胶质瘤诊断垫定了基础。在应用于生物医学研究的太赫兹源方面，获得了峰值功率接近1MW的太赫茲脉冲辐射，提高了太赫兹生物医学诊断系统的信噪比。

可以说，在生物医学方面，太赫兹技术拥有非常广阔的前景。

而在通信上，太赫兹一直被认为是6G的关键技术，被认为是无线通信技术的未来，太赫兹根据通信原理，频率越高，允许分配的带宽范围越大，单位时间内所能传递的数据量就越大，也就是我们通常说的“网速变快了”。

如果我们真的在6G时代可以成熟运营太赫兹技术，单从频率上来讲，6G的网速将会是5G的10倍左右。除此之外，太赫兹还兼具微波通信以及光波通信的优点，即传输速率高、容量大、方向性强、安全性高及穿透性强等。

科学家还想把太赫兹做在卫星上，因为在外太空，近似真空的状态下，不用考虑水分的影响，这将比当前的超宽带技术快几百至一千多倍，能够实现万级以上的带宽。

这也是为什么各个国家都想在太赫兹技术上取得突破的原因。一旦在6G时代掌握主动权，那么就掌握了全球经济的主导权。这也是为什么美国一直不爽中国是全球5G领先者的原因，专利数据公司IPlytics公司发布了5G专利竞争态势报告曾指出：5G将促进数以万计的新产品、新技术和新服务的产生，并将提高生产力，创造新产业。全球5G网络将统一移动通信，并通过物联网（IoT）将万事万物连接到一起。5G技术可以将车辆、船舶、建筑物、仪表、机器和其他实体物品与电子、软件、传感器和云连接起来，嵌入式5G技术将允许机器在物理世界中交换信息、集成到基于计算机的系统中。近年来，3G和4G的专利权人控制了智能手机行业中移动技术的利用方式。因此5G的专利权人也可能通过在各个市场实现5G连接而成为技术和市场的领导者。

也正是因为美国在5G不领先，所以才会想要在6G中扳回一局，所以对于太赫兹技术的研发可以说十分迫切。2019年，美国联邦通信委员会（FCC）投票，一致决定开放面向未来6G网络服务的“太赫兹”频谱，用于创新者开展6G技术试验。

而日本2005年就将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首，举全国之力进行研发。

目前，日本在太赫兹技术研究上已经处于世界先进行列，日本广岛大学在全球最先实现了基于CMOS低成本工艺的300GHz频段的太赫兹通信。此外，日本在太赫兹等各项电子通信材料领域“独步天下”，几乎达到垄断地位，这是其发展6G的独特优势。

总而言之，太赫兹技术可以说在具有广阔而无限的前景。但目前受限于当前太赫兹波源和太赫兹波探测技术的发展不成熟，太赫兹波段与传输控制相关的基础功能器件目前非常匮乏，而这些器件是构建未来太赫兹应用技术框架所必不可少的组成部分。

除此之外，对太赫兹来说，其对滤光片、探测器等颇为苛刻的要求也制约了其应用的前景。

尽管这些领域的研究已经进行了二十多年，但与激光技术相比，太赫兹技术所需要的许多关键器件还是十分有限的，很多技术尚待开发，甚至一些基础理论研究也是急需发展的。

德国固态物理研究所（IAF）、德国联邦物理技术研究院（PTB）、Braunschweig 大学、日本NTT、美国贝尔实验室、加拿大多伦多大学、法国IEMN、美国Asyrmatos 通信系统公司等在太赫兹技术研究上投入了巨大的精力。

日本NTT公司的120 GHz宽带无线通信系统

欧盟2017 年成立的由德国、希腊、芬兰、葡萄牙、英国等跨国TERRANOVA 计划，明确提出研发超高速太赫兹创新无线通信技术。

目前太赫兹技术正逐步向更高速率、更高大气窗口频率以及低功耗与小型集成化和实用化方向发展，截至现在太赫兹通信技术形成了基于微波光子学的光电结合方式、全固态混频电子学方式、直接调制方式这3 类针对不同的应用场景并行发展的态势。

日本NTT公司很早就开发的120 GHz通信系统，在千米距离实现了10 Gbps的无线通信，并应用于2008年北京奥运会的节目转播。

中国在太赫兹技术的研究上也花费了巨大的精力，早在2016年的时间，电子科技大学率先在国际上研制出了首套直接调制方式的太赫兹通信系统，并实现了千米级高清视频传输。该系统采用外部高速调制器直接对空间传输太赫兹信号进行调制，这种调制方式较现有的太赫兹通信方式，具有可灵活搭配中高功率太赫兹辐射源实现远距离通信的优点，有效突破了目前太赫兹通信系统中承载发射功率过低的问题。目前，该系统实现了0.34 THz 工作频率吉比特每秒的高清视频业务数据传输。

所以，尽管目前太赫兹技术在应用上还存在许多的问题，但是它广阔的前景也让科学家们前赴后继想要将它彻底征服，让我们拭目以待！