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寻找太赫兹(THz)的蓝海

2015-08-19  来源:人民邮电报-中国信息产业网  作者:覃一乘

2013版《中华人民共和国无线电频率划分规定》中,确定了我国无线电频率划分范围是从0至3000GHz。然而我们现有的43种无线电业务,仅用到了其中的275GHz,从275GHz~3000GHz,还处于无线电业务的空置区。有这么多的空置频率,如果还停留在已有无线电业务的红海里显然有些说不过去,下一步要考虑的自然是如何运用它。越过红海区域,找到新的蓝海,这是无线电管理部门所要面对的问题。那么,前方又有哪些值得抓住的机遇呢?

太赫兹(THz)频段的开发利用,是未来频谱战略拓展的一个重要方向。太赫兹波包含了频率为300GHz~3000GHz的电磁波。20世纪80年代中期之前,由于缺乏有效的太赫兹波发射源和灵敏的探测器,这一频段成为太赫兹空白(Terahertz Gap),这也是为什么过去无线电业务的频率只覆盖到275GHz。如果说红海区的kHz、MHz、GHz是通信制式的2G、3G、4G,那么还处于蓝海区的THz就是未来的5G。

随着人们对太赫兹波的认知加深,太赫兹波优秀的特性也被越来越多地开发出来。太赫兹波早期主要用于天文观测,后来随着高功率太赫兹波源的出现,太赫兹技术在实际应用中展现出了广阔的前景,尤其是在安全检测、射电天文、物理成像、环境监测、高速宽带无线通信中具有重大的科研价值。

在天文学中的应用。天体和星际辐射包含着丰富的频谱信息,其中一半以上的电磁辐射为太赫兹辐射,并且太赫兹频谱的背景噪声较之其他频谱噪声低,因此对太赫兹最早的研究开发来自天文学。

在分子探测方面的应用。凡是物质都有运动,而有运动就有辐射。辐射出来的电磁波有其自身的振动频率,大多数分子的振动频率都处在红外波段和太赫兹波段。红外探测不到的分子振动带来的微小辐射,需要借助太赫兹固态激光器进行探测,将激光器调整到分子的振动波长上就能准确地进行探测了。

在安全检查方面的应用。由于大多数爆炸物、毒品分子的转动能级处于太赫兹频段,因此可用太赫兹波谱对人体进行安全检查。与现有的X射线和超声成像技术不同,太赫兹光谱成像不仅可以提供物体的形状,而且还可以将测得的光谱信息与已有的危险物太赫兹谱库进行比较,用于材料特性识别。另外,由于太赫兹的光子能量很低,不会在生物组织中产生有害的光致电离。因此,相对于X射线会对人体造成潜在伤害以及金属探测器无法探测到非金属物质等缺点,太赫兹技术在安检方面具有较大的应用前景。

在生物医学方面的应用。太赫兹波极易被水分子或氧气分子等极性分子吸收,并且不同的分子具有不同的吸收谱线。利用这些谱线以及太赫兹波成像技术,可以对皮肤癌以及其他组织表层早期病变进行诊断。在外科手术中,常利用太赫兹波成像系统实时检查癌组织切除情况,该方法可获得比超声波更清晰的软组织成像。另外,也可利用太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)来研究那些生物分子振动能级或转动能级处于太赫兹波段的有机大分子,从而指导药物生产以及医学研究。

在通信领域的应用。太赫兹波处于电子学向光学的过渡领域,除了兼具微波通信以及光波通信的特点外,还有很多自身的性质。在通信领域高速发展的今天,传统的微波通信已经较难满足高速、宽带无线通信的发展需求,而太赫兹波的频率比微波高出1~4个数量级,可提供10Gbit/s以上的无线传输速率,因此利用太赫兹无线局域网具有高速宽带、结构紧凑、体积小、低辐射损伤、抗干扰能力强等优点,可支持未来高质量视频电话、视频会议、实景3D游戏等军事和商业应用。

在雷达领域的应用。与微波雷达和红外探测器相比,太赫兹技术应用于雷达具有高距离分辨率、强穿透力、低截获率与强抗干扰能力等众多特点,在监测陆地移动物体上具有显著优势,是目前太赫兹技术的另一个重点应用方向。

近年来,由于国家频谱战略发展的需要,太赫兹新频段的开发利用受到多数国家的高度重视,其中,日本将“THz技术研究与应用”列为十大国家战略之首, 并利用国际电联(ITU)的平台积极介入该领域研究。2015年ITU-R WP1A工作组会议在瑞士日内瓦召开,我国在“275GHz~1000GHz频率内有源业务技术及操作特性”议题上提交了报告,展示了我国在高频段频谱资源开发利用领域的最新研究成果,为后续参加275GHz以上频段频谱资源开发利用技术标准的制定奠定了基础。

关键词:太赫兹 吸收谱 蓝海 谱线 红外波段