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一、太赫茲技術

隨著對電磁波譜的不斷探索, 人類對電子學和光學獲得了充分的認識, 並且通過對電子學和光學的研究, 研發了各種器件, 形成了兩大較為成熟的研究和應用技術. 一是微波毫米波技術, 在雷達、射電天文、通信、成像、導航等領域得到了廣泛的應用, 另一個是光學技術, 其應用已滲透到人們日常生活的方方面面. 然而毫米波和光頻段之間, 還存在著豐富的未被充分開發的頻譜資源, 也就是太赫茲頻段. 傳統上, 微波頻段定義為300 MHz-26.5 GHz, 毫米波頻段為26.5-300 GHz, 而太赫茲頻段為300-10000 GHz (10 THz). 現在比較流行的一種說法是, 0.3-30 GHz 為微波頻段, 30-300 GHz 為毫米波頻段, 也有人將0.1-10 THz 稱作太赫茲頻段， 如圖所示.

毫米波及太赫茲在電磁波譜中的位置

太赫茲研究主要集中在0.1-10 THz 頻段. 這是一個覆蓋很廣泛並且很特殊的一個頻譜區域.起初, 這一頻段被稱為「THz Gap (太赫茲鴻溝)」，原因是這一頻段夾在兩個發展相對成熟的頻,即電子學頻譜和光學頻譜之間. 其低頻段與電子學領域的毫米波頻段有重疊, 高頻段與光學領域的遠紅外頻段(波長0.03-1.0 mm) 有重疊. 由於這一領域的特殊性, 形成了早期研究的空白區. 但隨著研究的開展, 太赫茲頻譜與技術對物理、化學、生物、電子、射電天文等領域的重要性逐漸顯現, 其應用也開始滲透到社會經濟以及國家安全的很多方面, 如生物成像、THz 波譜快速檢測、高速通信、穿牆雷達等. 太赫茲之所以具有良好的應用前景, 主要得益於其光譜分辨力、安全性、透視性、瞬態性和寬頻等特性. 例如: 自然界中許多生物大分子的振動和旋轉頻率都處在太赫茲頻段, 這對檢測生物信息提供了一種有效的手段; 太赫茲頻段光子能量較低, 不會對探測體造成損壞, 可以實現無損檢測; 太赫茲波對介質材料有著良好的穿透能力, 從而可作為探測隱蔽物體的手段; 太赫茲脈衝的典型脈寬在皮秒量級, 可以得到高信噪比的太赫茲時域譜, 易於對各種材料進行光譜分析; 此外, 太赫茲頻段的帶寬很寬, 從0.1-10 THz可為超高速通信提供豐富的頻譜資源。

1.1、 太赫茲源

伴隨著太赫茲波生成技術的發展, 太赫茲源的研究已有很多有價值的新進展. 研發低成本、高功率、室溫穩定的太赫茲源是發展太赫茲技術的基礎. 太赫茲源的分類多種多樣, 按照產生機理, 可以分為基於光學效應和基於電子學的太赫茲源，按照源類型可以分成3 類(1)非相干熱輻射源、(2)寬帶太赫茲輻射源以、(3)窄帶太赫茲連續波源。

(1).非相干熱輻射源
非相干熱輻射源在熱平衡的情況下將熱能轉換為光能, 產生連續的光譜。 主要例子如日常生活中的太陽, 以及白熾燈. 由於其產生的太赫茲波功率很低, 應用前景較為局限.

(2).寬帶太赫茲輻射源
寬頻太赫茲輻射源目前主要應用於光譜系統, 主要由周期為幾十到幾百個飛秒的脈衝產生，在頻譜上包含高達幾十太赫茲的超寬頻譜分量. 產生方法包括：
a) 光導天線：光導天線進行太赫茲輻射的主要機理是光導天線在光脈衝的照射下產生載流子, 並在電場作用下加速運動, 在表面產生瞬態電流,進而輻射太赫茲電磁波，其特點是具有較高的輸出能量. 近年來, 國內外開展了很多關於光導天線產生寬頻太赫茲波的研究。
b) 光整流法: 光整流法是利用非線性的光整流效應, 使兩個光束或者一個高強度的單色光束在介質中傳播時產生差頻或和頻振蕩，其特點是可以實現太赫茲超寬頻輸出, 但是輸出能量相對不高. 基於此原理, 太赫茲輻射源得到了長足的發展。
c) 空氣等離子法: 空氣等離子法的原理是利用雷射聚焦擊穿空氣產生太赫茲輻射。
d) 半導體表面: 基於半導體表面的太赫茲輻射源的基本工作原理可以總結成表面電場效應和光生丹培效應. 對於某些寬頻隙的半導體材料, 其表面存在表面態, 由於表面和內部的費米能級不一致, 會形成表面電場. 在這個電場作用下, 被雷射激發的載流子會形成瞬態電流, 從而形成太赫茲輻射. 對於某些窄帶隙半導體材料, 由於其吸收係數很大, 大量的載流子會在半導體表面形成, 其中的電子和空穴在向半導體內擴散的時候使正負電荷在空間中分離, 形成光生丹培電場, 輻射太赫茲波. 這種方式的特點是簡單易操作, 但輻射功率較低。

(3)窄帶太赫茲連續波源
窄帶太赫茲輻射源的目標是產生連續的線寬很窄的太赫茲波. 常用的方法包括:
a) 利用電子學器件設計振蕩器, 尤其是以亞毫米波振蕩器為基礎, 提高振蕩器的工作頻率, 以設計實現適合太赫茲頻段的振蕩器. 由於這一特點, 目前報導的太赫茲源的工作頻率主要集中在較低的太赫茲頻段。但是, 在此基礎上利用倍頻鏈已獲得了1THz 左右甚至更高頻率的太赫茲波。
b) 太赫茲量子級聯雷射器(THz-QCL) 作為相干光源的一種，是基於導帶子帶電子能態間躍遷和聲子共振輔助隧穿實現粒子數反轉. 隨著量子級聯雷射器的迅速發展, 可以用來研究微小尺度的物質運動, 比如電子微觀輸運, 納米光子學等。 同時由於其結構緊湊, 使之在很多領域具有很高的應用價值, 如天體物理和大氣科學、空間通訊、精密光譜測量、安檢領域和太赫茲成像等。
c) 自由電子雷射器是將在磁場中運動的相對論電子束的動能轉換為光子能量, 從而產生雷射, 其特點是具有高能量和高相干性. 由於其連續性,輻射波長可以調諧到任何波長, 非常適合用作太赫茲輻射源, 但自由電子雷射器的缺點是功耗高、體積大和費用昂貴, 因此自由電子雷射器基本上用在實驗室環境中。
d) 光泵太赫茲雷射器: 太赫茲頻段符合許多極性分子的轉動能級, 光泵太赫茲雷射器使這些極性分子的轉動能級間的粒子數反轉,從而產生太赫茲輻射. 國內外相關工作中, 常用的氣體有CH3F 、NH3、D2O 、CH3OH 等。
e) 差頻太赫茲輻射源: 差頻太赫茲輻射源主要利用非線性晶體的差頻效應來產生相干窄帶的太赫茲輻射. 這種方法中, 需要兩束不同波長的雷射, 即頻率不同, 以一定角度泵浦非線性晶體, 例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有機晶體DAST 等. 太赫茲波的頻率取決於泵浦光波長, 可以方便進行調諧。
f) 光參量法: 光參量法是利用一束泵浦光入射晶體, 激發出斯托克斯光和電磁耦子. 在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下, 電磁耦子發生受激拉曼散射, 實現太赫茲輻射。

二、太赫茲技術(THz)未來運用

2.1、誰先掌握太赫茲技術，誰就將占據未來軍事制高點

隨著信息化戰爭和多樣化軍事鬥爭的加速來臨，現代戰爭已經遠離了刺刀見紅、鐵甲洪流的大戰爭場景，路邊炸彈、自殺式襲擊、細菌郵件和化武包裹造成的突然襲擊令人防不勝防，城市爭奪、反恐作戰以及各類巧妙偽裝的武器和敵人如同陣陣迷霧，大有漸欲迷人眼之勢。能夠有效破解這場戰爭迷霧的，當屬太赫茲技術。
太赫茲技術的核心就是太赫茲波，具有輻射小、透射性好、通信傳輸容量大等突出特點，在軍事通信、戰場偵察、精確制導、反隱身和電磁對抗等軍事領域將發揮重要作用。一個屬於太赫茲的時代，正在加速向我們走來。

2.2、特有的「指紋譜」可對各類物質進行精準識別

時至今日，提起太赫茲，人們依舊能在無形中感受到它的神秘。處於電磁頻譜開發「真空地帶」的太赫茲，無法運用光學理論和微波理論合理解釋，因而在上世紀90年代之前一度被人們「遺忘」。如今，隨著人們對太赫茲研究的不斷深入，太赫茲波獨具特色的性質使得其在軍事和安全領域有著廣泛的應用前景。
太赫茲的一大神奇之處就是對爆炸物極其靈敏的「嗅覺」。通過太赫茲波獨特的吸收特性，可完成對爆炸物等危險品的探測識別。2014年6月，德國研究人員利用太赫茲掃描儀幾秒鐘內便可確定其內部物質的太赫茲「指紋譜」，經過與資料庫的比對就能確定物品內部的具體名稱。
太赫茲技術還可對物體進行三維立體成像，對各類物體來個全身高精度寫真。美國研究人員利用頻率為1太赫茲的電磁波對航天材料進行安全體檢，可成功檢測出隱藏在材料內部的缺陷，避免相關設備由於材料的微小瑕疵在飛入太空後功虧一簣。該技術將在戰略飛彈、航空航天結構材料監測評估中發揮重要作用，美國甚至已經利用太赫茲檢測系統來確保F-35戰鬥機的生產質量。
除用於探測爆炸物外，利用太赫茲精確的「指紋譜」還可對各類物質進行分析識別。例如，利用太赫茲波可鑑別不同種類的毒品，通過測定「炭疽熱」粉末等對太赫茲波的吸收情況，可有效防止生物恐怖襲擊。事實上，正是通過與一些新興前沿學科領域交叉融合，太赫茲才與生物醫學、微納米技術、材料科學、光電技術等學科發生了巧妙的「化學反應」，這不僅為太赫茲技術研究提供了一大批新興技術手段，也為太赫茲世界描繪了更加寬廣的美好未來。

2.3、讓隱身無處遁形，可實現全天候戰場態勢感知

太赫茲技術目前在軍事通信領域方興未艾。在無線通信發展百餘年後的今天，軍事通信領域500MHz-5GHz頻段資源日趨稀缺，太赫茲這一曾被「遺忘」的波段，聚集了微波通信與光通信的諸多優勢，早已成為各軍事大國挖掘開發的「寶藏」。太赫茲的頻段相比廣泛運用的微波通信要高出4個數量級，可承載更大的數據傳輸量，進而可輕鬆解決戰場信息傳輸受制於帶寬的問題，滿足未來戰爭大數據傳輸速率的通信要求。
未來，利用太赫茲無線網絡傳輸高清影像資料，只要瞬間即可完成，這將在戰場偵察過程中發揮重要作用。雖然太赫茲波在大氣中傳輸時易受各類氣候條件影響，傳輸距離有限，但在某些特殊情況下，這一「短板」恰恰成為太赫茲通信的又一技術「專長」。由於大氣衰減可使信號根本無法傳播到敵人的無線電監聽機構中，因此可實現隱蔽的近距離通信。
同時，戰場態勢感知也是太赫茲的一出「拿手好戲」。採用合成孔徑技術的太赫茲雷達所使用的太赫茲波長要遠遠小於微波雷達所採用的電磁波，因此具有更高的解析度和信噪比，可獲取比微波雷達更清晰的目標外形特徵，從而提高目標圖像的解析度。此外，太赫茲合成孔徑雷達還具有優良的穿透沙塵煙霧的能力，可實現全天時、全天候戰場態勢感知，在軍事偵察、軍事測繪以及空間態勢感知等領域中有著廣闊的應用前景。

太赫茲還可讓隱身武器無處遁形。隱身技術主要靠形狀、吸波塗層、形成等離子云吸收或改變雷達波傳播方向等來實現隱身，這些絕招太赫茲幾乎全部免疫。太赫茲波波長遠小於微波與毫米波的波長，因而可用於探測更小目標並實現更精確定位。同時，太赫茲波又包含了豐富的頻率和寬廣的帶寬，能以成千上萬種頻率發射納秒級脈衝，進而大大超出現有隱身技術的「屏蔽」範圍。
經過20多年的發展，目前大功率太赫茲波輻射源和高靈敏度探測技術等相關研究都取得了突破性進展，未來太赫茲技術將在軍事通信、戰場偵察、精確制導、反隱身和電磁對抗等軍事領域發揮重要作用。可以說，誰先掌握了太赫茲這一第五維戰場的重要頻段，誰就將占據未來軍事制高點。

2.4、超過速傳輸速率(最高1Tbps)

6G的應用情境和新裝置：將來高解析度影像、感測技術、精準定位、穿戴式顯示器、行動機器人、無人機、專門化處理器和無線通訊等技術，將會創造出新的虛擬和混合式實境服務以及自動化的交通和物流系統。這些技術將會是未來6G的應用情境。此外，6G白皮書還預言，未來智慧型手機將會被具有延展實境（XR）體驗的智慧型眼鏡所取代。
6G的關鍵績效指標：6G白皮書列出了6G所需達成的無線通訊技術指標，例如要達到最高1Tbps的傳輸速率、10公分至1公尺範圍內的定位精準度、10倍的能源效率等。還有，6G的發展也應該符合例如安全性、開源（open source）、對環境發展的永續性等其他方面的指標。
無線傳輸的技術挑戰：在傳輸技術方面，由於6G要提供1Tbps的傳輸速率，與正要開始商用的5G（10Gbps）相比，6G的傳輸速率將會是5G的100倍。因此，要達成如此高的傳輸速率便需要利用到太赫茲頻段（THz）。同時，6G還需要運用比現今的正交調變技術（QAM、OFDM）更先進的調變技術，才能承載如此高頻高速的資料傳輸。
6G的隱私保護和資料安全性：由於物聯網技術將產生了各式各樣的使用者資料，而對於這些隱私資料應該建立起明確的使用規則才能保護使用者的穩私。而在安全性方面，6G白皮書指出，6G應以物理層的加密來保護資料的安全性，例如應用量子密鑰分發（quantum key distribution, QKD）、無線電指紋（RF fingerprinting）等新的加密技術。

三、6G 太赫茲技術(THz)供應商

1.台揚(2314)-低軌衛星用戶（LEO）終端設備
2.聯鈞(3450)-基地台衛星收發模組
3.同欣電(6271)-衛星收發模組
3.昇達科(3491)-衛星通訊地面接收站

四、參考文獻

1.中國科學_雜誌社
2.芬蘭奧盧大學率先發表6G白皮書。網路治理議題支援平臺，2019/9/9

投資有風險，理財需謹慎。

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