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太赫兹波:藏在“间隙”中的宝藏

来源:  发布时间:2023-07-18

文 陈俊俊  胡书盛  徐梓淇

 

近日,中国航天科工二院25所在北京完成国内首次太赫兹轨道角动量的实时无线传输通信实验。研究人员利用高精度螺旋相位板天线在110GHz频段实现4种不同波束模态,通过4模态合成在10GHz的传输带宽上完成100Gbps无线实时传输,最大限度提升了带宽利用率,为我国6G通信技术发展提供重要的保障和支撑。

2G时代100kbps的通信峰值传输速率,到5G时代5Gbps甚至10Gbps的峰值理论传输速率,传输带宽不仅是衡量通信网络质量的主要指标,更是网络代际演进的动力所在。6G时代,通信频段被扩展到太赫兹频段,这一频段也是全球6G研究的热点。

如今,6G正一步步从纸面走向现实。在中国发展高层论坛2023年年会上,专家透露,当前还处在6G技术早期研究阶段,预计6G将在2030年推进到大规模商用阶段。伴随着6G技术向我们走来,太赫兹技术也再次进入公众视野。

作为新型频谱技术,太赫兹通信可提供更大传输宽带,满足更高速率的传输需求。太赫兹技术正逐渐成为6G通信关键技术之一。

当然,太赫兹技术的能量不止如此。一旦太赫兹技术成熟,将为天文学、生物医学、通信雷达等多个重要领域带来重大改变。

 

“蒙尘的宝藏”,缺失的空白

 

人类从认识电磁波后,就开始了利用电磁波改造世界的历程。远到卫星通信技术,近到厨房中使用的微波炉,电磁波给人类的生产生活带来了极大的便利。然而,在可见光和微波之间还存在着“间隙”,一段没有被广泛开发利用的波段——太赫兹波。

太赫兹波是指频谱在0.110THz之间、波长为303000μm范围内的电磁波。太赫兹波的频谱介于微波与红外线之间,因此拥有二者都有的一些特性。

太赫兹波虽然很少在公众视野中“抛头露面”,但科学家对它的研究已有一个多世纪。早在100多年前,已经有科学家对这一波段进行过先期的探索。然而直到20世纪七八十年代,太赫兹波才有了自己的名字。在此之前,在光学领域,它被称为远红外线;在电子学领域,称之为亚毫米波或是超微波等。

天文学家最早关注到了这一“蒙尘的宝藏”。20世纪70年代,空间科学家将其运用到陆基射电望远镜上,来研究星际介质和行星大气的化学成分等。那时候,人们建造了大量观测设备,推动了射电天文学和空间科学的发展。然而,由于地球大气对太赫兹波大多数频率波段的吸收率非常高,科学家只能通过高海拔天文台和浮空气球利用极少数可用窗口开展研究。可以说,当时用来遥望星辰大海的太赫兹技术,自身也是被遥望的星辰大海

当时,太赫兹技术已经在一些领域得到了应用。但如果说红外线和微波技术已达到“凌波微步”的程度,那么太赫兹技术还在“蹒跚学步”。不仅因为地球大气对太赫兹波大多数频率波段的高吸收率,还因技术壁垒导致难以找到合适的太赫兹源。此外,有些太赫兹源的输出功率有限;有些太赫兹源则受限于尺寸、复杂性或成本而不能大规模生产……于是,所谓的“太赫兹间隙”“太赫兹空白”便由此产生。

太赫兹波凭借着其独特的瞬态性、高穿透性、宽带性、相干性和低能性等特点,展现出极为广阔的应用前景。超快光电子技术和低尺度半导体技术,也为太赫兹波段提供了适合的光源和探测手段,推动了太赫兹技术在各个领域的应用发展。2004年,美国将太赫兹技术评为改变未来世界的十大技术之一;2005年,日本将其列为国家支柱十大重点战略目标之首;2005年,我国也在香山科学会议中,制定了太赫兹技术发展规划……伴随着太赫兹技术的飞速发展,蒙在宝藏上的灰尘,被一点点拭去,宝藏开始散发出耀眼的光芒。

 

前景广阔的“万能”电磁波

 

随着太赫兹技术的不断发展,这个曾经存在于微波和可见光之间的“间隙”“空白”逐渐被照亮。攻克了一个又一个技术壁垒后,太赫兹科学技术领域研究团队数量也随之大量增加。研究人员努力开发更多新的技术和仪器来探索太赫兹频段,或者利用太赫兹仪器进行各种有意义的研究。

太赫兹波可谓前景广阔的“万能”电磁波,具有许多无可比拟的优势。与微波相比,太赫兹波具有更高的空间分辨率;与紫外线和X射线相比,太赫兹波是非电离的,更加安全。

近年来,世界各国都十分重视太赫兹波在安检和反恐领域的运用。2016G20峰会上,中国首次投入使用了太赫兹安检设备。太赫兹波具有全覆盖的特点,且对金属和特定化学物质表现出不同强度的辐射特征,可谓天生的反恐专家。除了常规的违禁品,太赫兹波还能识别出陶瓷刀具、3D打印枪支等新型武器。

此外,生物分子和水分子在太赫兹波段有特征吸收,利用太赫兹波技术可对生物样品进行成像检测,这使得太赫兹波在生物医学领域也得到广泛的应用和发展。比如用于癌症诊断、筛查龋齿等。

太赫兹波更是广泛应用于大气遥感和空间天文探测。太赫兹气象卫星观测系统,提供了更为精准、更为多样化的气象数据预报。截至2019年,已有9个现有或计划中的卫星地球探测业务传感器用于执行全球测量,探测地球大气、陆地和海洋成分所吸收和发射的自然电磁能量。

太赫兹频段也是射电天文领域极为重要的观测频段。截至2019年,全世界已有13个不同的射电天文站点使用太赫兹频段用于天文观测。这些正在运行的射电天文系统包括单口径望远镜、干涉仪和气球平台等。

当前,人们最为关注的就是太赫兹通信技术,由于太赫兹占据了300GHz3THz频段的超宽频谱,支持超大速率的无线通信,具有传输容量大、安全性高、穿透性好等优势。因此其在全息通信、微小尺寸通信、超大容量数据回传、短距超高速传输等场景中有望得到应用。如今,太赫兹技术已逐渐成为新一代无线通信产业发展的重要方向,被认为是未来6G的重要技术备选方案。

近期,我国紫金山实验室采用太赫兹光纤一体融合的全新传输架构,速率较5G提升1020倍;采用新型的光子辅助太赫兹技术路线,借助于商业成熟的数字相干光模块,打破电子器件的瓶颈,解决了传统太赫兹无线通信信号实时处理难题;发明融合了光纤通信的高带宽大容量和太赫兹无线通信的便携灵活接入双重优势,可显著降低6G研发门槛,大大加速太赫兹技术商用化进程。

 

打破传统作战模式的“透视眼”和“通信员”

 

太赫兹在军事上的应用前景也不容小觑,美国、俄罗斯、日本、欧洲各国等纷纷投入巨资,力求在太赫兹研究上占据领先赛道。其因具有辐射小、透射性好、通信传输容量大等突出特点,在军事通信、战场侦察、精确制导、反隐身和电磁对抗等领域持续掀起热潮。

太赫兹波将会成为部队的“透视眼”。太赫兹成像系统可检测自然界的太赫兹辐射,不仅可以穿透墙体对房屋内部进行扫描,在复杂战场环境下,还能借助太赫兹对“墙后”物体进行三维立体成像,探测扫描隐蔽伪装的武装人员。未来利用太赫兹波照射路面,甚至可以远距离探测地下的掩体、工事甚至是雷场。目前,美国、德国、以色列等国家,都投入了大量的资金研发用于军事预警侦察的太赫兹检测装置和成像装置。德国应用科学研究所研制的太赫兹ISAR成像雷达,可探测近距离隐藏的目标,在探测距离为500m、工作频率为0.22THz条件下,成像分辨率可达1.8cm

使用太赫兹波的雷达,还能让现有的“隐形战机”无处遁形。通常所说的隐身技术,主要是靠形状、吸波涂层来吸收或改变雷达波的传播方向来实现的。常规的雷达在探测雷达截面很小的隐身战机时往往显得“力不从心”。而处于电磁频谱过渡区域的太赫兹,则可以用于探测更小的目标和进行更精确的定位,并且“跳出”隐形战机所针对的传统频段,实现“降维打击”。一旦太赫兹雷达技术成熟并应用在军事领域,隐形战机最引以为傲的技术优势将不复存在。

在通信方面,太赫兹波会是最可靠的“通信员”。太赫兹波的频段可以承载更大的信息量,轻松解决目前战场信息传输受制于带宽的问题,满足大数据的通信要求。太赫兹波束窄,具有极高的方向性、较强抗干扰性和云雾及伪装物穿透能力,可以在沙尘及浓烟等复杂战场环境下以极高的带宽进行军事通信。

一个属于太赫兹的时代,正在加速向我们走来。目前,大功率太赫兹波辐射源和高灵敏度探测技术等相关研究都取得了突破性进展,更多太赫兹技术研究方兴未艾。可以说,谁先掌握了这一能够有效破解“战场迷雾”的技术,谁就将占据未来军事制高点。

(内容转载自《解放军报》2023-05-12 11版。责编:杨戈)


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