太赫兹通信技术——

点亮智慧通信未来

中国科学院紫金山天文台牵头的联合实验团队在青海牧场亚毫米波天文台址附近进行太赫兹通信实验。

《国家科学评论》刊发中国科学院研究团队在太赫兹通信领域取得的重要成果。利用一台15微瓦输出功率的电子学太赫兹信号发射器，以及一套0.5THz、具备量子极限灵敏度超导混频接收机的太赫兹天文望远镜系统，该团队成功实现了1.2公里距离范围内高清视频实时无线传输，这是中国在无线通信领域持续突破的又一里程碑。

2023年8月，电子科技大学某研究团队利用太赫兹通信技术，实现了对成都大运会田径赛的实时高清转播。无需蜿蜒环绕的光纤，运动场上健儿们的矫健身姿便可无卡顿、零压缩、零延迟实时转播到场外的高清显示屏内，分秒无差，“影”随人动，汗珠滴落清晰可见，使屏幕前的观众如同亲临赛场一般。

不仅如此，微秒时延保障远程手术，眨眼间完成高清电影的下载，千百台工厂机器人同步精准作业……这些看似科幻的场景，正随着太赫兹通信技术的发展逐步成为现实。

那么，什么是太赫兹通信？和其他技术相比，太赫兹通信技术有什么优势？在未来又会给人们的生活带来怎样的改变？请看本期解读。

电磁波中的“奇特成员”

地铁上，指尖在手机屏幕上滑一滑，国事、天下事，事事了然于胸；直播间，点一点，订单、好物蜂拥而至……这些数字生活背后，是看不见也摸不着的无线通信网络，而“织”就这片网络的主角，便是电磁波。

电磁波是由电场和磁场周期性变化相互耦合产生的。如果把电磁波比成一个大家庭，太赫兹波则是其中一个善于学习的“奇特成员”。

太赫兹的波长范围为3毫米至30微米，恰好夹在微波和红外线之间。它既有波的“耿直”——强穿透性、非电离能，又兼具光的“细心”——短波长、高分辨率。

其实，太赫兹这个充满未来感的词，是英文单词“Terahertz”的音译。“Tera”这一前缀源于希腊语，意为“巨兽”，在国际单位制中代表着“万亿”这一量级；“Hertz”则是衡量振荡频率的单位。这一命名预示了它蕴藏着巨兽般的能量与潜力。人类对这股力量的探索，其实早已开始。

时光回到19世纪60年代，麦克斯韦方程组成功将电、磁、光这三种看似独立的现象纳入同一套数学语言，从理论上预言了包括太赫兹在内所有电磁波的存在。

随后的1887年，德国物理学家赫兹利用开口金属环，接收到了远处金属棒间产生的高频振荡电火花，从实验上证实了电磁波的存在。

然而，由于地球大气对电磁波的吸收以及当时研究手段的匮乏，长久以来太赫兹如同一颗蒙尘的“明珠”。直到1971年，太赫兹技术的研究才有了实质性的突破。在激光技术发展的基础上，华人物理学家沈元壤带领课题组，利用铌酸锂晶体的非线性光学效应，将飞秒激光脉冲下变频转换成太赫兹脉冲。

1988年，为了能够“看清”太赫兹信号，“电光采样”原理被提出：利用时延可调的飞秒激光以及光电转换器件，工作人员实时探测太赫兹电场导致的电光晶体折射率瞬态变化，拼出了完整的太赫兹时域波形图。至此，太赫兹的研究逐步走上了正轨。

时间进入21世纪，太赫兹波凭借其丰富的频谱资源与独特的物理性质，吸引了广泛关注。2004年，美国将太赫兹科技评为“改变未来世界的十大技术”之一。2005年，中国科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会联合召开会议，将太赫兹技术确立为重点开发技术；同年，日本将太赫兹技术列为“国家支柱十大重点战略目标”之首。

近年来，随着超快光电子技术和低尺度半导体技术的飞速发展，科学家已经能够精准探测太赫兹波。而今，蒙尘被渐渐拭去，太赫兹这颗明珠开始散发出耀眼的光芒，即将为通信领域带来巨大的变革。

信息传输的超级“快车道”

在通信世界里，频谱资源就像一条条可以承载信息的高速公路。信息就像一辆辆汽车，沿着公路从一个城市飞驰到另一个城市。道路越宽，能够同时行驶的车辆就越多，单位时间到达的车辆也就越多。

如果说既有的通信系统像一条四车道高速公路，那太赫兹技术的出现，将为我们带来一条宽度扩展数十倍甚至上百倍的“超级公路”。这条超级宽广的信息走廊，能够同时支持成千上万辆“数据车辆”并行出发，使信息流转的速度与容量迈入一个前所未有的新境界。

我们可以用一个形象的对比，来感受这个变化背后意味着什么：对于一个原本需要数分钟时间才能完成下载的几十GB大小的文件，现在仅需几秒即可下载完毕。

除了丰富的频谱资源，太赫兹波还有一项与生俱来的特性——波长极短。这使其如同一束精准的“激光手电筒”，发出的“光束”狭窄而集中，能够实现“指哪打哪”。该特性为其应用于通信领域带来了突出优势：

——隐形传输，抗干扰能力强。由于波束狭窄、能量集中，太赫兹信号主要沿指定路径传播，不易向四周扩散。因此，它不仅难以被第三方侦测、通信隐蔽性高，而且不易受到其他方向杂波的干扰，天生就具备出色的抗干扰能力。因此，在安全与可靠性方面，太赫兹通信远优于传统通信。

——设备小巧，便于集成。由于器件尺寸同工作波段的适配性，工作于太赫兹波段的天线和电路体积大幅缩小，为实现设备小型化、轻量化以及系统的高度集成提供了可能。

——透视障碍，无形链接。得益于在电磁波谱中独特的位置和强大的穿透能力，太赫兹波能够轻松透视塑料、陶瓷、衣物等多种非金属材料，不受云雾、沙尘或浓烟等复杂环境的影响。有了这项能力，它可以在很多特殊场景中大显身手。比如，在设备机箱内部，太赫兹波无需线缆就能实现芯片间的“隐形”互连，真正做到隔“墙”通信，让信息传递更灵活、更自由。

有望为6G通信提供关键技术支撑

在数字世界与现实生活深度交融的今天，庞杂的数据如洪流般奔涌，实时传输信息已成为人们的刚需。目前的5G通信，也开始触到了能力天花板——它如同城市的主干道，虽四通八达，却在流量高峰时出现拥堵问题。

这时，理论传输能力可达5G数十倍的6G，被人们寄予厚望。而太赫兹频段的开发与使用，有望为6G通信提供关键技术支撑。太赫兹通信，犹如在频谱空间中开辟出一条新的“超级公路”，进一步解决信息拥堵问题，展现出广阔的应用前景。

在城市通信网络中，太赫兹通信技术可扮演“无线光纤”的角色，为密集城区、大型场馆等场景提供高速、稳定的回传与接入服务，强化城市数字基础设施的神经末梢。

目前，这一能力已在试点中初现锋芒。2024年，石家庄铁塔公司首次在实际应用环境中验证了太赫兹通信技术，传输的视频图像主观、客观质量指标均达最高标准。

在智能港口、智慧工厂这类工业场景中，太赫兹通信技术的应用未来也将非常广阔。高清监控视频的流畅传输、无人搬运车的精准调度、海量传感数据的实时汇总，都离不开一条既可靠又高速的信息通道。太赫兹波就像一位“空间魔术师”，在有限范围内打造出稳定的高速链路，编织出一张覆盖全域的智能控制网。

此外，快速部署能力同样是太赫兹通信技术的突出优势，在应急救援中具备重要价值。灾害现场往往伴随出现通信中断、基站损毁的情况，此时亟须快速建立一条大容量、自组织的通信“生命线”，以保障救援队伍与指挥中心之间的实时数据互通。

太赫兹系统可作为便携基站，配备至单支救援分队，在局部区域迅速构建专用通信网络，确保关键影像、环境数据与调度指令的及时传输。

仰望星空，太赫兹技术在航天通信领域同样前景可期。宇宙空间环境接近真空，对太赫兹波的吸收非常微弱，这使太赫兹波成为构建下一代“地空信息高速路”的理想载体。

在公共安全领域，太赫兹通信感知一体化技术正逐步走向应用。2022年，国内一家公司发布了太赫兹通信感知一体化原型样机，该型样机利用太赫兹波实现了对遮挡物体的毫米级分辨率成像。这再一次证明了太赫兹通信技术在实时安检、危险品识别等场景中的应用潜力，将为城市安防提供新的技术路径。

在军事领域，太赫兹通信技术同样具备独特价值。它能够建立起短距离、大带宽的战术通信链路，实现战场情报的高速共享与精准同步；凭借固有的定向传输特性，该技术可有效降低军事信息被侦测干扰的风险，大幅提升隐蔽性与抗干扰能力。

当下，我们正站在通信技术迭代的关键节点，太赫兹通信技术犹如架设在现实世界与数字空间之间的“高速信息走廊”。在未来的通信蓝图中，它将与微波协同，与光纤互补，与卫星联动，共同构建起一个多层高效、智能互联的通信体系，让信息文明的浪潮流入生活的每个角落，点亮更安全、更便捷、更精彩的智慧通信未来。

来源：中国军网-解放军报 作者：娄菁 赵希来 张晶 责任编辑：刘上靖