中国的太赫兹技术研究有望领先全球

【编者按】太赫兹波段自从19世纪后期正式命名之后，收到欧美日中等多个国家的高度关注，各国纷纷将其入选改变世界的技术评比之中。尤其是中国，在当中的研究甚至超越了美日，名列世界前茅。本文详细介绍了太赫兹技术的前世今生。

“太赫兹”是指100 GHz~10 THz的电磁辐射（也有定义300GHz ~ 10 THz），波长在0.03mm~3mm范围， 如图一所示，在电磁频谱上，太赫兹波段两侧的红外和微波技术已经相对成熟。

从19世纪后期太赫兹波段正式命名之后，涉及太赫兹波段的研究结果和数据却非常稀少，在此频段上，既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，另外在很大程度上受限于有效的太赫兹源和探测器，因此这一波段一度被称为Terahertz Gap“太赫兹鸿沟”。

图1: 太赫兹电磁波频谱介绍 [Physics Inventions]

2004年，美国政府将太赫兹技术评为 “改变未来世界的十大技术” 之一，DARPA（美国国防部高级研究计划局）和NASA（美国国家航空与航天局）自2009年起均投入较大的资金和研发力量，进行太赫兹组件及系统的研发。2005年，日本政府更是将太赫兹技术列为 “国家支柱十大重点战略技术” 之首。

我国政府分别在2005和2014年专门召开了 “香山科技会议” ，制定了我国太赫兹技术的发展蓝图。2016年底， “太赫兹谷” 如火如荼的在乌鲁木齐与中国电子科技集团公司合作下开始建设。另外欧洲，澳大利亚，日韩，台湾等许多国家和地区政府、研究机构、大学和企业纷纷投入到太赫兹研发的热潮中。

随着新技术和新材料的突破，有效太赫兹辐射源和探测器的相继问世, 太赫兹技术的研究和应用才有了较快发展, 在医疗诊断、天文、物体成像、工业探伤、宽带移动通信，雷达探测等众多领域显示了重大的科学价值及实用前景。

近5年来低成本CMOS，新材料太赫兹技术的突破有望改变太赫兹技术仅在军事，航天，高端医疗领域有较多应用的现状，让太赫兹技术进入民用消费级电子市场。

太赫兹应用

下面笔者就结合太赫兹波段的电磁信号特点，向大家介绍一下太赫兹技术的相关应用。

(1) 太赫兹辐射是完全非电离的，由于能量较X射线低很多，对绝大部分的生物细胞无电离伤害，适合对活体生物或组织进行实时检查。如皮肤烧伤或皮肤癌的早期诊断，口腔疾病诊断，活体DNA鉴别等。

图2：太赫兹成像在医疗领域的应用举例

(2) 太赫兹频谱覆盖了这个有机大分子，包括蛋白质在内的转动和谐振频率。许多大分子在太赫兹频段表现出很强的吸收和谐振，形成具有生物特异性的太赫兹特征谱。另外，碳（C）, 水（H2O），一氧化氮（NO），氮（N2）, 氧（O2）等大量的分子也有各自的太赫兹特征谱。这些特征谱信息对于生物化学物质结构，以及大气污染和天文探测有着很高的研究价值。

图3：UCLA & NASA JPL CMOS太赫兹光谱仪实例

(3) 安全检查应该说是太赫兹现阶段最吸引人的应用，它的本质是利用太赫兹电磁信号的穿透性和对金属等特殊材料的强反射特性进行实时快速透视成像，并且在达到成像目的的同时，不需要担心X射线的电离伤害。太赫兹电磁信号能以较低的衰减穿透衣物，皮箱，陶瓷，硬纸板，塑料制品非极性材料等；而对于极性物质比如水或金属有强烈的吸收和反射。

太赫兹的成像解析度虽然比不上X射线，但足够探测隐藏在衣物、鞋内的刀具、枪械等物品。另外结合太赫兹对物质鉴别的特性，能够区分身上是否携带炸药或毒品。便携式的太赫兹安检仪已经处于后期研发测试阶段，有希望在20cm外自动快速检测危险物品，实时生成高清晰度三维图像。可以设想再过几年，将在在机场火车站安装大量太赫兹安检设备。

图4：G20上使用的航天易联太赫兹安检仪

(4) 无损检测同样是利用太赫兹电磁信号对大部分干燥、非金属、非极性材料有较好的穿透能力，再结合各种成像技术，就可以对材料中的缺陷进行详细检测。太赫兹无损检测广泛应用于航天、雷达材料的检测。介于太赫兹系统的小型化低成本话的趋势，近年来越来越多的工业、民用产品流水线在配合太赫兹成像系统完成快速无损检测。

图5：美国TeraSense流水线太赫兹无损检测设备实例

(5) 大容量、高保密的宽带近距离通信是太赫兹频段的又一大应用。虽然单就通信距离来看，由于太赫兹在空气中传播时很容易被水分所吸收，信号衰减严重，存在着传输距离的 “短板” 。但是，在某些情况下，有限的传输距离反而能成为优势。因为大气衰减能使信号根本无法传播到远处的无线电技术监听设备，可实现隐蔽安全的近距离通信。而100 GHz ~ 1 THz的超宽带宽，是太赫兹通信的可用带宽超过长波、中波、短波、微波 (30 GHz) 总的带宽的1000倍。由于THz波的频率比微波更高，波长很短，可以制成方向性很强，尺寸又小的天线，将大大减小发射功率，并减轻收发机相互之间的干扰。

图6：日本大阪大学研发的太赫兹50Gb/s 通信设备实例

在刚刚结束的集成电路的最高级别会议，国际电路会议ISSCC 2017，上来自日本广岛大学，国家信息通信技术研究院和松下通信研究院，共同展示了105 Gb/s 300GHz 的CMOS 发射机，如图7所示。该太赫兹发射机的通信带宽比在2020年商用部署的5G移动通信系统还快了10倍。

图7： ISSCC 2017 上展示的超宽带太赫兹发射机

太赫兹研究概况

图 7： 2015年太赫兹相关SCI论文发文量Top10国家/地区 [太赫兹研发网]

SCI 检索显示，2015年内已发表太赫兹文献1456篇。相关1300余名科研人员遍及62个国家和地区，论文量最高的为中国（447篇），其次为美国（308篇），图7给出了论文量Top10的国家和地区。 图8揭示出国内外在太赫兹领域论文成果突出的10个科研机构，俄罗斯科学院与中国科学院近几年论文量一直不相上下，在2015年SCI论文量最高的为俄罗斯科学院（88篇），其次为中国科学院（82篇）。

中国电子科技大学近几年在该领域呈现出蓬勃的发展趋势，机构论文量排名相继从2013年的第10位增长到2014年第7位，并在2015年跃至第4位。除中国科学院、电子科技大学外，国内机构中的天津大学、首都师范大学均进入论文量排名前10. 总涉及500余个科研机构。

图 8： 2015年太赫兹相关SCI论文发文量Top10机构 [太赫兹研发网]

我国太赫兹技术现状

不同于微波毫米波和红外线领域，在太赫兹方面，我国与国外差距较小。伴随着材料学、半导体技术的发展，国内逐渐拥有了研究太赫兹技术的基础条件，科研人员也克服了重重困难，取得了非常可喜的成就。

单从论文发表的数量上，我国已经达到世界较为领先的地位，但是从科研到产业化的速度和能力，与欧美国家还存在较大差距。

至今除了航天、国防领域以外，太赫兹技术的大范围应用并没有如期而至，民用消费行业内大规模应用似乎仍然遥遥无期。唯有北京航天易联科技发展有限公司的太赫兹安检系统在G20上的出现让人眼前一亮。遗憾的是，从测试的具体效果来看，还是和TeraView，Brijiot， ThruVision，TeraSense等欧美公司有较大的差距。

产业的投资可以说并不比欧美逊色，科研机构几乎覆盖了太赫兹领域的方方面面，从基础材料，单个探测器，发射器组件，到系统级整合应用都有所涉及。同时国内的的科研单位和研发企业的迅猛发展，让太赫兹测试测量领域的美国巨头VDI（Virginia Diodes，Inc）也感到了压力，不顾企业利润，向国内停售了起绝大部分高性能设备及系统。

我国太赫兹技术前景展望

如何让先进的科研成果尽快走出象牙塔，转化为现实的生产力，将成为太赫兹科技工作亟待解决的问题。各方均迫切需要有一个权威的跨界平台，将产、学、研、资聚合起来，共同解决领域内所面临的技术、产品、市场、标准、资本等问题。在此背景下，我们同样可以预期，太赫兹产业联盟将会适时应运而生。

成立太赫兹产业联盟，将会为研究机构、上下游企业、资本等各方建立起一座沟通的桥梁，协调基础研究、应用研究和产品研究之间的关系和快速转换。基于此，我们有理由相信，我国太赫兹科技领域势必产生出更多具有自主知识产权和自有核心技术的世界一流成果和产品。

相关引用：

【1】Drouin, B.J., A. Tang, E. Schlecht, E, Brageot, Q.J. Gu, Y. Ye, R. Shu, M.C.F Change and Y. Kim, “A CMOS millimeter-wave transceiver embedded in a semi-confocal Fabry-Perot cavity for molecular spectroscopy”, J. Chem. Phys. 145(7) 074201, 2016.

【2】Bryan E. Cole ; Ruth M. Woodward ; David A. Crawley ; Vincent P. Wallace ; Donald D. Arnone ; Michael Pepper; Terahertz imaging and spectroscopy of human skin in vivo. Proc. SPIE 4276, Commercial and Biomedical Applications of Ultrashort Pulse Lasers; Laser Plasma Generation and Diagnostics, 1 (May 29, 2001); doi:10.1117/12.428010.

【3】Junginger, F.; Sell, A.; Schubert, O.; Mayer, B.; Brida, D.; Marangoni, M.; Cerullo, G.; Leitenstorfer, A. et al. (2010). "Single-cycle multiterahertz transients with peak fields above 10 MV/cm". Optics Letters 35 (15): 2645. doi:10.1364/OL.35.002645

【4】Tadao Nagatsuma, Guillaume Ducournau & Cyril C. Renaud，“Advances in terahertz communications accelerated by photonics”，Nature Photonics 10, 371–379 (2016) doi:10.1038/nphoton.2016.65 Received 13 January 2016 Accepted 07 March 2016 Published online 31 May 2016

【5】http://www.teraview.com/

【6】https://www.youtube.com/watch?v=iHOt7Quyduk

【7】http://www.thznetwork.org.cn/shownews.asp?id=816