第一章 简介
太赫兹波是介于微波和光波之间的光谱区域，频率从 0.1THz ~ 10THz 之间，波长在 3mm ~ 30μm 之间。提供大块连续的频带范围以满足对 Tbit/s 内极高数据传输速率的需求，使该区域成为下一代无线通信（6G）的重点研究领域。预计在 2030年 左右实现商业部署，太赫兹区域在 成像、光谱学 和 传感 等许多应用领域显示出巨大的前景。
这一频率范围的解密涉及到跨学科的研究，射频电子与高频半导体技术密切结合，但也包括使用光子技术的替代方法。本白皮书重点介绍 6G 通信，简述太赫兹波的基本原理、应用特性。
第二章 介绍了关键的 6G 性能要求和研究领域。
第三章 讨论了潜在的应用，如基于太赫兹的通信和传感。这些应用需要将频谱扩展到 100GHz 以上，太赫兹波与空间物质发生的相互作用以及影响。
第四章 重点介绍了发射太赫兹波的各种方法。除了使用电子 MMIC 外，基于光子技术的替代方案将在未来发挥关键作用。特别是随着今天的实验室装置小型化为光子集成电路（PIC），这些方案可能成为主流。
凭借其既定的生产工艺和高水平的集成，通过电子产生太赫兹仍然是目前的主要技术。频率限制正不断得到突破。
第五章 总结了高频半导体技术的现状。
2023年国际电联世界无线电大会（WRC23）上，预计将讨论在随后的 WRC27 中分配 100GHz 以上的额外频率范围。目前正在讨论的话题是太赫兹的应用潜力。
为了充分挖掘太赫兹的潜力用于未来通信标准（6G），定义测量指标、研究不同半导体材料的特性至关重要，这是标准化流程的第一步。
第六章 描述了信道传播测量的概念，并介绍了在慕尼黑罗德与施瓦茨总部进行 158GHz 和 300GHz 信道测试的一些初步结果。
第二章 走向下一个无线通信标准 —— 6G
2.1 从 5G 走向 6G —— 愿景与关键技术
2.1 从 5G 走向 6G —— 愿景与关键技术
建立全国性的 5G 网络，并不断提供新的通信能力和服务，全行业为此忙碌多年。 5G 为工业4.0 等新的应用场景打开了大门，具有代表性的服务包括：增强型移动宽带（eMBB）、 超可靠低延迟通信（URLLC）、大规模物联网（mMTC）。虽然 5G 服务将进一步向 3GPP Release18 演进阶段继续发展，但学术界和工业界已经启动了对下一代无线通信（6G）基础的研究。计划在 2030年 左右落地商用，预计商用发布会可能提前一年进行。在这里，我们对 6G 愿景和不同技术方案做些简单阐述。
WP 5D 是国际电信联盟 ITU（ITU-R）的 5D工作组，于 2021年 开始制定新的建议文件草案《IMT 2030年及以后的愿景》，以确定 IMT2030+（最终将被称为 “6G”）未来发展的框架和总体目标。预计第一批 3GPP 标准化工作将于 2023/2024 年 展开，首先定义的是技术性能要求。标准的定义工作将从 2026/2027 年 开始。
很难预测哪些应用和场景最终成为下一代无线标准的主要驱动力，而这些应用和场景又将塑造 6G 的技术目标（KPI）。潜在的应用场景包括：全息应用、扩展现实 XR（AR、VR、混合现实 MR）或数字孪生，这些应用对数据传输速率和延迟提出了极其严格的要求。其愿景是，在 6G 时代，数字、设备 和 人类世界 将 无缝融合（Cyber-Physical Fusion），从而形成一个互联世界，在这个世界中，通信将 人、设备 和 服务 与我们日常生活的所有必要部分组合起来。部署的 传感器 和 执行设备 需要以 极高的速率 安全地 传输 和 处理 数据，以实现这种“沉浸式通信”。
表1 对 6G 的目标（KPI）定义了一个严格的范围。比 5G 高 10倍 ~ 100倍，这将对无线通信和传输网络提出新的挑战。
在某些时间敏感的同步控制应用中（例如在工厂自动化等工业应用环境中），端到端 的 一致性 和 确定性 非常重要，即 低抖动，而不只是 净延迟。这是作为一个新的 KPI 引入的。通过无线技术实现 时间同步 和 相互定位，使远程设备协同工作。
表中1 第三行：User plane latency (in ms) 是为此新增的延迟波动指标。
新的 6G 通信标准会成为 以人为本、可持续影响全社会 的重要基础。将会覆盖人类的 生活、通信领域。 例如，联合国可持续发展目标的指导方针，以能源和资源向偏远地区提供 平等、负担得起 和 可扩展 的服务。目前的网络能源已经引起了人们的广泛关注 —— 包括对 环境的影响、以及 网络运营商 OPEX 的重大影响。为了应对数据通信的指数级增长，必须降低传输信息所消耗的能量。
2.2 6G 研究领域
图1 概述了已确定的主要 6G 研究领域（尽管不全面），以及实现愿景 和 未来无线通信的用例。
尽管部分技术只是在前几代基础上做了迭代，但仍有很多技术具有颠覆性，可能会释放出 超出香农极限 的潜力。
前几代已经使用的技术的演进
一些演进的技术步伐，如替代 OFDM 或 全双工操作 的新波形，此前曾针对 5G 进行过讨论，但并未包含在标准中。
超高速信道编码
信道编码是无线通信中 纠正传输错误 的基本组成部分，是可靠性的关键。同时，它也是基带处理的一个复杂部分，为实现在极高的 吞吐量、可靠性、低功耗 等方面的新 KPI，要求对现有信道编码方案进行增强，如 Turbo、 LDPC 和 极码 等。
新的波形和多址接入
波形设计对无线系统的高效运行至关重要。虽然 OFDM 是 6G 波形的有力候选方案，但仍需要探索备选的特定波形或统一可扩展波形，例如 通感一体化。
此外，还必须考虑到不同的频谱范围、设备特性（相位噪声、 PA功率效率）和 系统特性（信号带宽）。目前正在考虑许多新的波形，包括用于具有 多普勒扩展的高迁移率场景的正交时频空间调制（OTFS）。此外，单载波波形可能在满足未来设备对功率的要求发挥更大主导作用。为了允许更灵活地使用无线信道，可能参考 非正交多址（NOMA）放宽正交性约束。
超大数量的 MIMO
5G 引入了大规模 MIMO。目前的趋势是更高频率和更短波长，需要在小片区域内增加天线数量，以提供更多定向波束来弥补高频损耗。
另一种提高频谱效率的方法是自干扰消除技术，用于 带内双向通信和中继 的全双工通信。
全新的网络拓扑结构
当前网络架构中使用的蜂窝布局旨在最大限度地减少区域边界处的干扰。然而，为了实现超高速、高容量（特别是连接“云AI大脑”）和高可靠性通信，理想的方式是低损耗的短距离通信，并在多个通信路径上增加冗余。
这种空间分布式拓扑可能涉及 Cell-Free Networks，其中基站（分布在大面积上）协调相关联合传输向每个用户提供独立服务。这种方法为不同位置的用户带来更高的信噪比和增益，以及更一致的体验质量。然而，落地需要高度复杂的计算和基站之间的严格同步，以及站点之间大量数据的交换。
为了向 无人机、飞机、船舶 和 空间站/卫星 提供新的服务，从而将覆盖范围扩大到 偏远地区、海洋 和 太空，有必要对网络覆盖范围进行三维扩展。因此，除了水平部署外，还包括垂直方向的部署。例如，利用无人机（位于 20公里高度平流层的高空平台站或HAPS）和 低轨道（LEO）卫星作为空中移动基站 建立非地面网络（NTN）来实现这种无处不在的通信。
太赫兹通信和感知
6G 的关键技术概念之一 —— 尽管只是 6G 的促成因素之一（使用太赫兹波进行通信和感知）。这些太赫兹应用和技术将在以下章节中详细讨论。 释放亚太赫兹和太赫兹频率范围（100GHz ~ 3THz）几个GHz的极高带宽潜力，是目前研究的方向。除了无线通信中的超高数据速率外，这也将有利于感知和成像应用以及未来可能的医疗诊断程序。
联合通信和感知（JCS）的概念 —— 有时被称为集成通信和感知（ICAS），作为物理层设计的一部分，即联合使用的波形和网络架构，在本地支持这两种应用。它不仅限于太赫兹率，而且还包括毫米波（mmWave）范围。宽频带也将有利于高精度感知应用。这些应用不仅包括 定位、目标检测 或 高分辨率雷达，还包括对环境感知特别敏感的光谱型分析。
光子技术和可见光通信（VLC）
目前光学无线通信作为一种补充技术已经应用于部分领域，它结合了 高速、高保真度 和 低部署成本 等特点，未来会更加普及。与基于射频的接入网相比，主要优点是在可见光和红外波长上可获得约 300THz 的免授权带宽，抗干扰能力强，通信安全，例如在射频辐射不能穿透墙壁的室内环境中。具有红外波长的*空间光通信（FSO）使用调制激光二极管通过*空间传输信息，作为回程解决方案或用于卫星之间的天基通信。然而，它会受到 天气条件、大气湍流，尤其是 雾 的影响。
在可见光通信（VLC）中，也被称为“光保真度 ”（LiFi），数据通过商用照明LED的高带宽强度调制来传输。光电二极管充当接收器，这是一种经济高效的方法，可以轻松集成到现有的基础设施中，主要用于可视的室内应用。
严苛的 6G KPI 也将推动未来交通网络的发展 。例如，创新性光与无线网络全球论坛（IOWN GF）旨在为计算和通信网络架构研发各种技术，以同时实现可扩展性、零星的负载波动、能源效率和延迟可管理性。 光子技术 为应对这些挑战提供帮助：提出的开放式全光子网络（APN）有助于简化数据传输和处理，实现大容量、低延迟和低能耗的基础设施。例如，它以最小的光电转换实现跨 域/层次 的直接端到端光路连接，以提供低延迟服务。集成光器件（光子集成电路， PIC）可以提供路由和终端连接功能来实现这样的端到端全光链路。
此外，推测 2030年 信容量需求增加至 Pbit/s 级，长途传输将需要 Pbit/s 级通信容量。目前单模光纤（SMF）的极限在 100tbit/s 左右。使用多芯光纤传输技术（将多个芯嵌入到单个玻璃光纤中）的超宽带光传输，以及通过复用和添加新的光带进一步增加波长数量，可以进一步提升容量极限。
另一种光子技术是量子通信（和量子网络）概念在25年前首次得到证实，最近引起了广泛关注。这可以作为 6G 技术的补充，作为确保 超安全和可靠通信 的一种可行方案。量子通信通过交换纠缠光子提供了一种固有安全的 量子密钥分发（QKD）方式。这些数字密钥随后将用于传统的加密传输。这些技术可以通过光纤进行集成和传输。然而，卫星和地球之间的*空间 量子秘钥分发（QKD）也得到了验证，这为实现未来量子通信网络提供基础。
可重构智能表面（RIS）和超材料
当安装在建筑立面或室内环境时，使用 可重构智能表面（RIS）可以将无线信号的能量引导到某一点，从而在非视线环境中提供更好的覆盖并减少能耗。
从无线通信的早期开始，传播信道就被认为是发射器和接收器之间 随机的、根据场景而动态变化的实体。由于周围环境和物体以及接收器的移动性，它会以一种不可控的方式降低接收信号的质量。通信理论中的一个基本假设是：传播信道是通信系统既定条件，不受影响。可重构智能表面（RIS）的使用可以改变传播通道，从而在无线通信网络中引入一种新的可编程实体，并有望将边界扩展到香农极限之外。
可重构智能表面（也称为智能反射表面 IRS）是一种平面结构，其设计具有能够动态控制电磁波的特性。 IRS 由大量低成本的无源（因此低能量）元件组成，每个元件都以一定的相移反射入射信号协同实现波束赋形，并抑制一个或多个指定接收器的干扰。这种 RIS 的构建模块是所谓的超材料，与基于原子成分特性的材料相反，超材料是一种工程构，以所需的方式与电磁辐射相互作用，并具有特殊性能。它们通常由一组小于目标波长的结构组成。
RIS 场景是主要在室内环境（商场、机场、体育场或工业/工厂环境）中部署超密集网络。
2021年10月，欧洲电信标准协会（ETSI）在可重构智能表面（ISG RIS）上启动了一个新的行业规范组（ISG），用于评审和建立 RIS 技术的全球标准化。正如目前在 3GPP R18 中讨论的那样，智能中继器可能是通向反射智能表面的基石。
分布式计算和人工智能（AI）通信系统
虽然未来的 6G 应用场景仍需定义，与 5G 相比很显然，在 数据速率、延迟、频谱效率、安全性、可靠性 和 能耗 等方面的性能要求将更加苛刻。这也将影响 处理架构：信息技术和通信技术将进一步融合，即大量的数据处理将在分布式网络系统中进行，而不一定在最终的用户设备中进行。这将导致具有挑战性的数据速率和延迟要求。计算能力可以脱离到与设备分离的云或边缘网络（从而降低终端成本）。
在传统的 “冯·诺伊曼” 计算体系结构中，计算单元（CPU）和存储器是分开的。能耗和延迟成为 在CPU和内存之间传输大量数据的瓶颈。从人类大脑中获得灵感的 神经形态计算（Neuromorphic Computing）等架构实现低延迟的高能效处理，计算任务是在存储器内部执行的。以人类大脑为例，它的计算能力相对于功耗是非常理想的（总共为 20w ~ 30w）。
与人工智能相关的任务严重依赖于计算处理能力。图形处理单元（GPU）性能的进一步提升最终将受到可用能量的限制。对于这样的任务，内存计算的模拟AI内核特别合适。 各种新的概念，如模拟3D交叉点电阻器阵列，用作非易失性存储器来存储权重（例如用于卷积神经网络），可用于矩阵向量并行计算（神经网络的流行计算类型）。
AI与机器学习
今天，人工智能（AI）和机器学习（ML）已经被用于许多网络应用程序的自我管理和控制操作。其中包括初始网络规划阶段、网络控制和优化（如流量管理）、动态频谱管理以及预测和自适应资源分配。
预计在未来，AI将成为无线通信系统各个领域不可或缺的一部分。这可能包括适应特定传播信道和环境条件的物理层设计，并具有端到端优化的可能性 —— 而不是优化无线传输链的每个组件。为了应对未来 6G 网络在 设备类型、频谱范围扩展 和 灵活网络拓扑（如协作网状网络）方面的复杂性增加， AI和机器学习将在 6G 的部署和运营中发挥重要作用。最大限度提升用户体验和成本效率，最少能耗地提升系统性能。
最近，欧洲电信标准协会（ETSI）也开始在在监管角度关注 AI的测试 和 AI系统测试。相关工作组是 ETSI 技术委员会（TC）核心网络和互操作性测试（INT）工作组 和 ETSI技术委员会（TC）测试和规范方法（MTS）工作组。
第三章 太赫兹波的性质与应用
3.1 毫米波和太赫兹频率的新6G频谱
在通往太赫兹频谱的路上
5G 率先使用每个组件载波高达 400MHz 的大带宽毫米波频率，以实现无线工厂自动化等要求苛刻的实时应用所需的传输速率，而新兴的 6G 技术旨在实现更高的传输速率和更低的延迟。
然而，带宽为几GHz的超高数据速率的大连续频率范围只能在亚太赫兹和太赫兹范围内使用，即 100GHz 以上（图2）。
香农-哈特利定理给出了最大可实现信道容量（在噪声影响下）的边界为 C = B·log2 (1 + S/N)，其中 C为容量（bit/s）， B为带宽（Hz）， S/N为信噪比，该定理指出最大可实现数据速率与带宽B 成正比。因为低于 6GHz 的频率已经大量使用，所以 5G 将频率范围扩展到毫米波范围。为了进一步提高未来的无线标准（如6G）的数据速率，将挖掘太赫兹频率范围几个GHz的大连续带宽。图2 显示了为未来无线通信分配或考虑的不同频率范围。
图2： 5G 和 6G 的新频谱
在毫米波和太赫兹频率范围内有充足的频谱资源，其中包含了可用于无线通信的频带。FR1 和 FR2 中的 5G 频段分布在 71GHz 以下的范围内。6G 的研究主要集中在 D频段 和 H频段。
在 4G（LTE）之前，只有 6GHz 以下的频率范围被用于无线通信。由于其有利的传播条件和可以实现的区域面积，该频率范围至今仍发挥着关键作用。
在 3GPP 5G NR 命名法中，该频率范围称为 5G FR1（410MHz ~ 7.125GHz）。该范围还包括 LTE 和 Wi-Fi，如 Wi-Fi 6（IEEE 802.11ax）和 Wi-Fi 7（IEEE 802.11be）。
在 3GPP R17 中，5G FR2（深蓝色部分）被分配到最高 71GHz（24.25GHz ~ 71GHz）。
对于 5G 的演进（图2 中的 “Beyond 5G”），正在考虑 71GHz ~ 100GHz 的更高频率：浅蓝色频率范围是国际电信联盟（ITU）2019年世界无线电大会考虑的未来无线通信的频率范围（例如 81GHz ~ 86GHz）。虽然最初考虑了 80GHz 频段，但没有批准用于 IMT-Advanced（5G）。该频率范围还包含 60GHz 未授权频段（E频段从 60GHz 延伸到 90GHz）。
亚太赫兹波段
为了实现 6G 的 TB级 数据速率甚至更高的带宽，我们只能使用超过 100GHz 的频率范围。已经确定的新频段：D频段（110GHz ~ 170GHz）、 G频段（140GHz ~ 220GHz）和 H/J频段（220GHz ~ 330GHz）。
ITU 无线电规则文件总结了 1995年 世界无线电通信大会（WRC-95）通过并由随后的世界无线电通信大会（WRC-97、 WRC-2000、 WRC-03、 WRC-07、 WRC-12、 WRC-15、WRC-19）审议的无线电规则。正如引用附件[22]中第 185页所述，275GHz ~ 3THz 的区域目前尚未正式分配。275GHz ~ 450GHz 频率范围固定和地面无线服务的操作：确定 275GHz ~ 296GHz、306GHz ~ 313GHz、318GHz ~ 333GHz、356GHz ~ 450GHz 归管理部门使用，用于实施各种地面无线和固定服务应用，其中地球探测卫星应用无需采用特定条件进行保护。
IEEE 的标准化活动目前正在进行中，其中一个小组正在讨论这些频率范围下 100Gbps 的标准。该标准专门针对 252GHz ~ 325GHz 的频率范围，信号带宽高达 69.12GHz。在 95GHz 左右的 W频段（75GHz ~ 110GHz）中，已经开始开发用于无线回程/接入太赫兹频率范围。下一个极高的候选频段，即 110GHz ~ 170GHz 的 D频段，正被基站基础设施供应商所关注。 6G 的研究工作目前集中在 300GHz 左右的 D频段 和 H/J频段。由于 WRC27 的议程将在 WRC23上确定，因此在 2023年 WRC23之前，通过可行性研究和信道传播测量（第六章）来展示太赫兹通信的全部潜在价值。
7GHz 以上（7GHz ~ 24GHz）
尽管人们对亚太赫兹频率范围有着浓厚的兴趣，但位于 FR1 和 FR2 之间的 7GHz ~ 24GHz 频率范围仍然提供了潜在的大量可用频谱（图2），它可以提供一个 “最佳点” —— 与 FR1 的频率范围相比，在更小的封装中提供更高阶 MIMO，与 FR2 频率范围相比，它具备更好的传播特性。因此，该频率范围可能是 6G 的候选区域。
3.2 太赫兹应用
3.2.1 大量的应用有待探索
太赫兹（THz）波位于光学和微波领域之间的频谱部分。太赫兹光谱学早期用于天体物理观测和环境监测的高灵敏度仪器。然而，随着光子学和纳米技术的迭代使太赫兹能够应用于更多的领域。
光谱学和成像：由于许多形式的凝聚态物质、分子化合物、水蒸汽和大气具有与太赫兹波共振的不同物理特征，太赫兹波显示出巨大的前景，并已用于光谱学和高分辨率成像的许多领域。利用太赫兹光谱技术可以很容易地识别许多物质和复杂分子，如 药物、生物分子、蛋白质。图3 显示了一个常见药物分子示例，其中太赫兹频率的吸收光谱可以用来区分两种主要的分子变体。基于太赫兹光谱技术的传感器还能用于安全保障，因为常见的爆炸物或麻醉品可以通过它们的 “光谱指纹” 来识别。太赫兹波可以对产品进行无损检测，并可以 “看到” 塑料、纺织品、纸张 等。与 X-Ray 不同，太赫兹波没有任何电离效应，普遍被认为在生物学上是无害的。因此，它们在使用时不需要任何额外的安全措施。
通信：数据流量呈指数级增长，互联网流量在 2017年 已经超过 每月 100EB(10^18 Byte)。预计到 2022年，这一数字将增至三倍。 由于数据流量增长最快的部分与无线信道有关，因此这种网络容量的增长需要更高的无线传输链路。提供大规模连续频段以满足对 Tbit/s 范围内低延迟的极高数据传输速率需求，使其成为 6G 无线通信的关键研究领域。
感知和定位：还有一个概念正在出现，它将无线频率用于通信和感知能力，即联合通信和感知（JCS，第2.2章）。太赫兹频率不仅可以承载通信数据，还可以像高精度雷达系统一样探测物体。通过这种方式，太赫兹传感可以提供高分辨率的环境地图和厘米/亚厘米级精度的定位信息。例如：工业控制、监控应用、机器人、虚拟现实。
图3：太赫兹波在通信和感知、光谱学和成像中的应用
左图：莱布尼茨高性能微电子研究所（IHP）的 D波段 雷达芯片。中间图：对双氯芬酸样品的太赫兹光谱进行分析，可以区分药物的两种主要形式，或多晶型。右图：使用 R&S®QPS100（70GHz ~ 80GHz）拍摄的微波成像。
3.2.2 用于大气遥感和天体物理学应用的太赫兹波
根据普朗克黑体辐射定律，太赫兹光子的能量对应于 几个开尔文到几十开尔文 的温度。因此，太赫兹天文学研究探索了寒冷的宇宙，如星际物质的分子云。新恒星诞生的区域引发广泛关注。 1970年 一氧化碳（CO）因在 115GHz 的太赫兹范围内发生跃迁而成为人类从星际云中检测到的第一种分子，开始了太赫兹天文学时代。
Radiometer Physics GmbH（RPG，罗德与施瓦茨公司）起源于 马克斯·普朗克 射电天文学研究所 和 美国宇航局喷气推进实验室，早期就参与了这项科学研究。该公司一直研发 太赫兹遥感、毫米波、亚毫米、太赫兹仪器 等尖端仪器。
对于使用毫米波和亚毫米波仪器研究行星（地球、木星、金星、火星等）大气动力学的科学家和气象学家来说，他们对分子物种的吸收和发射特性（参见 图7 中的地球大气示例）特别感兴趣 。根据应用和科学目标， 使用各种类型的无源仪器，常见的有 18GHz ~ 664GHz 范围内工作的辐射仪，0.3THz ~ 1.2THz 范围内工作的光谱仪， 以及在 35GHz ~ 94GHz 范围内工作的 FMCW雷达 和 在 166GHz 范围内工作的闪烁辐射仪。这些仪器可以从地面站操作，也可以从太空卫星操作。图4 显示了用于 大气遥感、行星科学 和 天体物理学 的 无源辐射仪、主动辐射源 和 有源雷达仪器 的示例。
在过去的十年中，RPG公司 已经为冰云成像仪（ICI）开发了 183GHz ~ 664GHz 范围的太赫兹外差接收机，这是一种由 空客（Airbus-ASE）公司为 欧洲航天局/欧洲气象卫星组织（ESA/EUMETSAT）开发的第二代多通道扫描辐射仪（MetOp-SG，图4 左）。它是欧洲提供天气数据服务（例如 海面风矢量和地表土壤湿度）的一项设备，以监测并改善 2023年 ~ 2043年 气象预报的准确性。水蒸气以潜热的形式携带能量、破坏性风暴、加速气候变化。自 2000年 以来，随着海洋和大气温度的升高，全球大气中的水蒸气量增加了约 4%，导致风暴迅速地加剧，密切监测温度、蒸汽和风对于预测天气模式是非常有价值的。
对于 ESA 木星冰月探测器（JUICE）计划（图4 中间），RPG公司 为亚毫米波仪器（SWI）开发了 132GHz ~ 158GHz 范围的大功率源，这是一个由 马克斯·普朗克 研究所为太阳系研究（MPS）开发的双通道 0.6THz ~ 1.2THz 光谱仪。 JUICE 任务计划于 2023年 发射。它将花费至少三年的时间对巨大的气态行星 —— 木星，以及三个最大且富含水的卫星（木卫三 盖尼米得、 木卫四 卡里斯托、木卫二 欧罗巴）进行详细观察。同样令人感兴趣的是 木星大气和磁层的特征。
这两种仪器（用于 MetOp-SG 和 JUICE任务）的基础技术在很大程度上依赖于 GaAs 半导体器件（放大器、乘法器、混频器）、高精度制造和组装技术（喇叭天线、射频模块），这些技术符合太空任务所需的最严格要求。
图4：太赫兹波在大气遥感和天体物理学领域的应用示例 左图：空间被动辐射仪冰云成像仪（ICI）多通道接收器（RX），工作在 183GHz ~ 664GHz 范围内（交付的飞行模型）（图片由 RPG / 空中客车 / ESA / EUMETSAT 提供）。中图：ESA JUICE 任务用于行星科学的亚毫米波仪器（SWI）光谱仪开发的 132GHz ~ 158GHz LO源（TX）示例。右图：用于云传感的 94GHz FMCW 雷达仪器和用于现场蒸发传感的 166GHz 闪烁辐射计仪器。
3.3 用于通信的太赫兹波：有哪些潜在的用例场景?
使用吸收窗、功率和天线阵列来实现指向性
毫米波的技术挑战在太赫兹范围内更为明显。这包括更高的路径损耗和更短的适用范围。与 5G 中的毫米波类似，这些问题可以通过波束赋形 波聚焦来缓解。更短的波长还有一个优点，就是可以在更小的空间中封装更多的天线，从而产生高度精确的波束。
太赫兹频率超高速通信的主要用例之一涉及高容量前端和回程点对点（准静态）通信链路，也适用于偏远地区的基础设施（使用高增益天线或天线阵列）或 “最后一英里” 连接。期望在几公里的距离内可以支持高达 100Gbps 的容量。此外，窄波束还可以实现非常密集的设备部署。另一种应用包括短距离通信，如超高速自助亭（kiosk）下载，或芯片对芯片通信（图5）。
如今数据中心已成为企业不可或缺的计算基础。当代数据中心网络主要依靠铜缆或光纤进行机架内或机架间的网络连接，这涉及到布线的复杂性。太赫兹无线链路可以大幅提升设计的灵活性，并降低部署成本。
虽然室外和室内都可适用太赫兹，但室内场景很可能成为太赫兹应用的主流。在室内环境中，太赫兹频谱的短距离和弱穿透能力将成为优势。例如，太赫兹通信可以高度安全，因为它可以被限制在特定的室内空间。
图5：太赫兹通信用例
3.4 电磁波谱和相关应用
图6 展示了电磁波谱和各种应用，从低频端的广播、蜂窝通信到最高能量（以及频率）的 X-Ray 成像 和 γ-Ray 治疗。太赫兹频谱位于 电子学 和 光子学 两个领域的交界处。各文献对太赫兹频率范围的定义有所不同，但 IEEE 和 ITU 的定义是 300GHz ~ 3THz（THF或极高频率），刚好高于毫米波频率范围（30GHz ~ 300GHz，EHF或极高频） 和 微波频率范围（3GHz ~ 30GHz；SHF或超高频）。然而，在出版物中，100GHz ~ 10THz 的频率范围通常被表示为太赫兹频率。从 100GHz ~ 300GHz 的频率范围也通常被称为 亚太赫兹（sub-THz）频率。
图6：太赫兹频谱在电子和光子学之间电磁波谱和应用
3.5 太赫兹波与物质的相互作用
太赫兹波的能量相对较低（低至光波能量的 1/100 至 1/1000），不会引发任何化学结构变化。它位于气体的分子旋转跃迁 和 弱键的振动跃迁区域。因此，太赫兹波可以通过衰减低的 干燥、非金属 和 非极性材料传播。 这种能力，加上它的波长小（相对于微波） 和 光子能量低（相对于 X-Ray），也使太赫兹波成为非电离医学成像的理想选择，如烧伤评估或皮肤癌诊断。
图7 展示了 毫米波 和 太赫兹频谱 内的特定大气衰减情况。共振频率反映了大气中存在的各种分子的旋转激发光谱。大气衰减随工作频率的增加而稳定增加。在这些谐振频率之间，存在着许多 “大气窗口”，可用于各种应用。此外 183GHz（G波段）用于水汽探测；140GHz ~ 220GHz 用于远程湿度传感（探测冰）。M87星系中心黑洞的第一张直接照片是亚太赫兹波段射电天文观测的一个案例。在 230GHz 频率上，事件视界望远镜（EHT）阵列通过协同分布在地球不同位置的射电望远镜探测信号。
图7：毫米波和太赫兹频谱内的大气衰减比
在气压为 1013hPa，温度为 +15℃，水蒸气密度为 7.5g/立方米 时。大气中存在的不同分子（即 水、氧）的旋转激发在吸收光谱中得到反射。
毫米波和太赫兹波用于无线通信链路
如 图2 所示， 24GHz ~ 30GHz 和 37GHz ~ 40GHz 频率范围是 5G 蜂窝网络的毫米波区域。此外， 43GHz ~ 50GHz 和 60GHz 左右的频率用于卫星通信链路。由于氧分子的共振，在 60GHz 以下的传播损耗增加，为室内应用（WLAN）建立高数据吞吐量的安全无线链路提供了可能性。
太赫兹挑战：100GHz 以上频率的路径损耗
下一代通信标准 6G 预计也将严重依赖于 100GHz 以上的组件，例如 D频段（110GHz ~ 170GHz）或 H/J频段（220GHz ~ 330GHz）。
*空间路径损耗与信号频率 ν的平方 成正比。例如 280GHz 的链路 与 28GHz 的链路相比，有 20dB 的额外路径损耗。
然而，有一种常见的误解，即增加无线链路的载波频率将不可避免地导致更高的信道损耗。这只有在发射机（TX）和 接收机（RX）都是全向天线的假设下才成立。太赫兹波段的路径损耗可以通过在基站中使用非常大的天线阵列来克服，即超大规模 MIMO （图1）。
无线链路的 *空间路径损耗（FSPL）由弗里斯方程描述
其中，d 为 TX天线 与 RX天线 间的距离，λ 为 工作波长，GRX、GTX 分别为发射机和接收机的天线增益。假设 TX 和 RX 之间的距离以及它们的天线增益是固定的，FSPL值 随着频率 ν = c/λ 的增加呈二次增长。 图8（左）说明了这种关系，即在全向天线（GRX = GTX = 1）的情况下，TX 和 RX 在三种不同频率下的 FSPL 和 距离。
图8：毫米波无线链路的理论 弗里斯*空间路径损耗
左图：TX 和 RX都是全向天线的场景。右图：TX 和 RX 都有固定有效孔径为 1平方厘米 的定向天线场景。
天线增益 G ant 取决于天线的有效孔径 A eff，它与天线的物理尺寸成正比，也与波长成正比：
工作频率为 35GHz、70GHz 和 140GHz 时，一个固定有效孔径为 1平方厘米 的定向天线理论上增益分别为 12.3dBi、 18.4dBi 和 24.4dBi。因为天线的物理尺寸不变，所以天线增益随频率的增加呈二次增长。
我们结合最后两个方程可以得出结论，通过在发射端或接收端使用具有固定有效孔径的定向天线，FSPL 与 载波频率 无关。因此，与较低载波频率的系统相比，采用高度定向和可操纵的天线应该能够使无线通信链路在更高频率（具有更高的带宽和吞吐量）下工作，且不会因大气衰减而引起信噪比的显著降低。
第四章 太赫兹产生的电子与光子技术分析
4.1 从电子学到光子学
在过去的二十年中，太赫兹（THz）学科 填补了微波电子学和光子学之间的频率空缺，在传感、成像和数据通信领域拥有巨大潜力而吸引了越来越多的广泛关注。自从 100年前 开创了 电气 和 光学/红外区域 之间的工作以来，人们一直积极追求高效、稳定和紧凑的太赫兹源和接收器，并使太赫兹科学成为现实。
4.2 消除 “太赫兹间隙”
在通信中，0.1THz ~ 10THz 的频率范围仍然是一个待开发领域。然而，这一领域的研究最近引起了越来越多的关注，因为这些高载波频率与前所未有的信道容量有关。
在过去很长一段时间里，很难产生密集的、定向的太赫兹辐射，太赫兹范围被认为是电磁频谱的最终的前沿领域。主要的技术限制即所谓的 “太赫兹间隙” ，如 图9 所示，绘制了各种电子和光子器件的太赫兹发射功率与频率的函数关系，将在后面篇幅进行更详细的讨论。显然，太赫兹频谱在 0.1THz ~ 10THz 的范围内，功率呈下降趋势。
主要是由于损耗过大和载流子速度有限，对于电子设备来说太赫兹频率太高了。另一方面，由于缺乏具有足够小的带隙材料，它们对于光子器件来说太低了（见第 4.4章）。
尽管在电子器件（例如 高迁移率半导体材料） 和 光学元件（例如 具有低温冷却的量子级联激光器）方面已经做出了重大努力，但太赫兹区域周围的可用功率仍然远低于其他频谱区域。类似的趋势也发生在信号检测中，这样的差距使最近二十年的频谱发展难以满足当今世界与日俱增的需求。
图9：太赫兹发射功率与频率的关系
实线表示传统的太赫兹源：IMPATT（碰撞电离雪崩渡越时间二极管），MMIC（微波单片集成电路），TUNNET（隧穿渡越时间二极管）。
椭圆表示最近开发的太赫兹源：THz-QCL（量子级联激光器），RTD（谐振隧穿二极管），UTC-PD（单行载流子光电二极管）。
4.3 电子学和光子学交界的太赫兹辐射源
产生太赫兹（THz）辐射有三种主要方法（图10）。下面几节将更详细地举例说明。
电子源
随着各种半导体材料组件的改进（参见 第5章），使用电子源的“经典”方法在过去几年中发生了巨大的变化。
这些源包括 倍频链（上变频）、谐振隧穿二极管（RTD）、晶体管、二极管。其优点是元件非常紧凑、可以在室温下工作，但在带宽和效率上有一定的限制。然而，电子源在太赫兹频率下相对低效，提供的频率调谐相当有限。
直接生成太赫兹波：QCL
用光源直接产生太赫兹波的方法包括：非常优雅的 量子级联激光器（QCL）方法、非线性光学方法（光学参量过程）、分子激光器方法（低效且笨重）。虽然利用 量子级联激光器（QCL）可以达到相当合理的功率水平，但效率仍然有限，并且通常必须在低温下工作。
间接产生太赫兹波：光电子器件
近年来，0.5THz ~10THz 之间的频率也被列入激光技术的领域。光电子（光子）方法要么使用 可调谐二极管激光器，要么使用 飞秒激光器。光混合器、光导开关或非线性晶体把近红外激光转换成 光谱分辨太赫兹波 或 宽带太赫兹波。
在过去几年中，使用超快光电二极管和光电导体从光频区进行“下变频”引起广泛关注。主要优点是可在大范围内调谐、可在室温操作，可以重复使用为光纤通信已有的成熟技术。在功率上有较大突破，但能效上有诸多限制。
图10：产生太赫兹辐射的三种主要方法
请注意，1THz 的能量当量对应于 49k，由于在较高温度下的弛豫过程，某些技术（如：量子级联激光器 QCL）必须使用低温冷却。
4.4上变频：电子太赫兹波的产生与分析
自 1933年 成立以来，罗德与施瓦茨公司的核心竞争力一直是为 所有相关电子/微电子领域 开发和制造先进的射频测试和测量设备。
为了支持多种 6G 研究活动，包括半导体行业在 毫米波、太赫兹区域器件、电路特性的研究，罗德与施瓦茨 提供了广泛的开发和分析测量工具。以下各节给出了一些示例 :
使用 变频器 支持高达 1.1THz 频率的矢量网络分析仪。
使用 外部谐波混频器（R&S®FS-Zxx 系列）为信号和频谱分析仪提供扩展频率范围支持，例如 D频段（110GHz ~ 170GHz）和 其他高达 500GHz 的频段 。
使用 倍频器（R&S®SMZ系列）为信号发生器提供扩展频率高达 170GHz 的支持 。
使用 发射和接收转换器，生成和分析 D波段（110GHz ~ 170GHz）的信号。
使用 电波暗室在 D波段（110GHz ~ 170GHz）测量天线辐射性能。
4.4.1 具有计量级精度的基于矢量网络分析仪的太赫兹测量
业界对毫米波和太赫兹范围内进行测量的 矢量网络分析仪（VNA）的需求与日俱增。在 E波段（60GHz ~ 90GHz）除其他应用外，矢量网络分析仪（VNA）可表征晶圆探头系统和波导组件中的有源和无源组件。即使在更高的频率下，网络分析仪在 测试集成电路、传感器和天线、成像系统、射电天文系统和材料 中也有广泛的应用场景。 5G无线通信标准和汽车雷达传感器的生产也为它创造了巨大的测试需求。
几GHz ~ 67GHz 频率的测量是网络分析仪标准的一部分，但毫米波和太赫兹范围的测试要求更高，它们需要外部频率转换器（R&S®ZC1100 示波器可以覆盖高达 1.1THz）。这类扩频器上变频刺激信号，下变频相应信号，以表征在频率下操作的设备在太赫兹范围内。
有源元件的晶圆上表征
为了表征线性和非线性范围内的有源器件，需要在探头尖端定义输入功率。由于无法在晶圆上进行功率校准，因此需要校准波导输出处的功率，并在校准过程中考虑 额外波导、1mm 电缆和探头尖端的损耗。对于功率扫描和压缩点测量， R&S®ZNA 集成的校准程序能够补偿毫米波转换器的非线性，以实现最大的动态测量范围和复现性。通常使用 R&S®ZNA 在较低频率测量有源组件，与高频下使用系统集成的毫米波转换器进行计量级精度测量同样方便。
图11：太赫兹范围内的测量
使用 R&S®ZNA 矢量网络分析仪，在太赫兹范围内使用 毫米波转换器进行测量的配置与在较低频率范围内一样方便（左图）。 MPI TS150-THZ 集成探针系统，R&S®ZNA 配置了显微镜，用于高达 330GHz 的晶圆级测量， GGB Industries Inc. 波导探头直接安装在毫米波 R&S®ZC330 转换器的输出端（右图）。
为了演示系统性能，测量了德国的 弗劳恩霍夫应用固体物理研究所 IAF 的四级 325GHz MMIC 低噪声放大器（LNA）（见 图12）。标量增益 |S21| 以 ±95% 置信区间显示。
4.4.2 D波段宽带信号的产生和分析
可以使用更宽的频率范围来实现最高数据速率，6G 研究的重点频段之一是 D频段（110GHz ~ 170GHz）。图13 展示了支持该频率区域的组件和收发器的测试测量设备。
左图所示为 R&S®FE170ST 发射机（TX）前端，它将 R&S®SMW200A 矢量信号发生器的调制信号（例如 潜在的 6G 波形）上变频到 110GHz ~ 170GHz 的范围。右边是对应的 R&S®FE170SR 接收器（RX）前端，它将信号下变频并将中频（IF）传输到 R&S®FSW 信号和频谱分析仪。解调后的信号表现出优异的 矢量幅度误差（EVM）性能，并强展示出生成信号极低相位噪声。
MMIC 设计
下图展示了由 罗德与施瓦茨公司 及其合作伙伴设计的两个用于测试与测量设备的 MMIC 示例。
所示的 40GHz ~ 70GHz 放大器约为 4mm × 3mm，反映了 罗德与施瓦茨公司 最新 R&S®SMA100B 模拟信号发生器中这种电路的标准尺寸。该仪器在微波范围内提供最高的商用输出功率。
Radiometer Physics GmbH（RPG）也开发了太赫兹源，它组合了 W波段 的大功率放大器 GaAs MMIC 和 基于 GaAs 肖特基二极管 的大功率高频乘法器。图15 展示了在 赫歇尔太空望远镜（左图）上 远红外外差仪（HIFI）的频率可调谐源，频率高达 1100GHz ，覆盖了从远红外到亚毫米波长的光谱范围。右图 展示了欧洲航天局（ESA）JUICE卫星 的 亚毫米波仪器（SWI）的 捷变频率和功率源，最高可达 158GHz 。
4.4.3 D波段 天线辐射性能测量
在 空口（OTA）测试概念发展方面，5G 率先将毫米波频率用于无线通信。这是由于大规模和高度小型化天线阵列不再适用于传导测试。 OTA 天线测试概念可以扩展到 D波段 乃至更高范围，用于探索太赫兹通信和传感。未来的设备将纳入更高集成度的有源天线系统，用于超大规模 MIMO 和 传感应用。在可重构智能表面应用程序（RIS）特性的研究领域，OTA 测试同样重要。
使用 R&S®ATS1000 进行空口测试（OTA）
现在把 6G 研究的重点放在 100GHz 以上的频率，找到大量可用频谱是实现更高数据速率的关键。不仅需要新的宽带高增益天线概念，还需要在天线测量程序方面取得进展。
从传统的 6GHz 以下 蜂窝服务转向 5G 新空口（NR）频率范围2（FR2）已经是一个重大的技术飞跃（图2）。由于路径损耗随频率的平方增加而增加，因此在用户设备和网络基础设施中引入了具有电子波束指向能力的 高增益天线，以确保无线链路的质量。由于集成电路复杂性随频率函数增加而急剧增加，现在大多数开发都针对一种新的波导 D波段（110GHz ~ 170GHz）和 G波段（140GHz ~ 220GHz）。
在接下来的讨论中，我们将考虑一种球面扫描解决方案来测量 D波段 的辐射性能，该解决方案在 R&S®ATS1000 中实现了前所未有的动态范围。该解决方案采用直接 下变频 的新型探头设计，在 170GHz 下提供大于 50dB 的动态范围。
在 110GHz ~ 170GHz 频率范围内测量 被测设备（DUT）的振幅和相位相干响应时，不需要机械修改或额外的射频布线，R&S®ATS1000 简化了测试要求。
被测设备（DUT）是 IMST 新设计的 D波段 透镜的漏波馈电天线（图16）。它可用于 6G 前传 点对多点场景。简化的馈电结构由低介电常数 εr= 2.34 和 直径 35 mm（20λ 170 GHz）的低损耗高密度聚乙烯（HPDE）制成的椭圆透镜组成，该设计具备较高的成本效益。馈源由一个 λ/2 漏波空腔组成，由 WR6 波导激发。可以沿透镜焦平面移动馈源来操纵辐射方向图。
该天线既进行了数值建模，又使用紧凑型系统进行了球面近场扫描天线的实验评估。辐射模式测量是在 R&S®ATS1000 移动球形扫描范围内进行的（图17）。该全电波暗室包括一个分布式轴定位器。
DUT 馈电组件用于相位相干和时间稳定测量。如 图17 中镜头天线下方所示，该倍频链由一个 D波段 亚谐波混频器组成，与探头处使用的混频器相同， D波段 隔离器连接到 被测设备（DUT）的 WR6 分裂块。使用 R&S®ZNA43 4端口矢量网络分析仪（VNA）进行测量，其中前端的一个端口将中频信号馈送到 被测设备（DUT）。
图17 展示了测量探头的概念。 正交换能器（OMT）连接到 20dBi 方形喇叭天线，在整个 D波段 频率范围内，3dB 波束宽度为 16° ，交叉极化隔离为 25dB。当 DUT设置为接收（RX）或发送（TX）时，该组件可以相互工作，并且能够发送或接收两个正交极化场。直接在探头处实现下变频或上变频，从而消除了 RF 频率下的全部电缆损耗。两种极化可以同时测量。
图18 展示了 DUT 全波模拟与测量结果之间的出色一致性。这证实了新探头测量系统具备高精度。无源天线测量可以成功实现近场到远场（NF2FF）变换等相位相干数据据采集。未转换的测量结果显示为红色，表明辐射方向图的主光束已经接近远场渐近行为。
总之，这样一种高效的 D波段 透镜天线设计，在 42% 的带宽下实现增益大于 30dB。通过球面扫描测试系统对该天线进行了精确表征，该系统能够进行稳定的相位相干测量，并在 DUT 输入端和测试探头输出端进行了直接变频。相位相干性是支持精确应用近场到远场转换算法的必要条件，这对于精确确定辐射方向 图零位 和 旁瓣电平 至关重要。
4.5 直接产生太赫兹光子：量子级联激光器（QCL）
4.5.1 带间二极管激光器
光谱与太赫兹频率：带间跃迁与带内跃迁
多年来，在激光中产生相位相干辐射（通过受激辐射进行光放大）一直是一个既定的概念。它已经贡献了许多应用，包括与光纤技术结合的光通信，也是当今互联网的技术基础。激光器由有源介质（可在具有粒子数反转的能级之间发生激光跃迁）、用于反馈腔和额外的频率选择元件组成。
带间二极管激光器
半导体激光二极管是最重要的光电元件之一，它们可以将电流直接转换成相干光。对于光电学来说，直接带隙 III-V族半导体材料 GaAs 和 GaN 最为重要。来自导带的电子（e–）与价带的空穴（e+）复合，发射频率与能级间能量差相对应的光子（图19）。带间二极管激光器价格低廉，能高效的产生从紫外线到可见光到红外频率区域的光子。然而，太赫兹光子的能量比可见光光子小 100 ~ 1000 倍，并且没有材料具有如此小的带隙和粒子数反转。
图19：带间二极管激光器与量子级联激光器（QCL）
在带间二极管激光器中，激发态能级 |e⟩ 和基态 |g⟩ 之间的激光跃迁发生在导带和价带之间，在 量子级联激光器（QCL）中，光子跃迁发生在导带 hv 内设计的 量子阱能级（“波函数工程 ”）之间。
4.5.2 太赫兹 QCL：异质结构设计的子带间激光跃迁
与带间二极管激光器相比，激光发射是在 量子级联激光器（QCL）中 通过使用在周期性堆叠半导体量子阱异质结构中的带间跃迁实现的（“超晶格” 图19）。这个概念最早在 1994年 由贝尔实验室的一个研究小组通过 Jérôme Faist et al 进行了演示。
图20 显示了周期性量子阱异质结构（外延生长的 GaAs 或 InP 结构，厚度为 几纳米）和由此产生的量子阱能级结构。在制造过程中，可以通过控制层深 来设计量子阱深。因此，激光跃迁的波长取决于器件的物理结构（“电子波函数工程”）。这个概念允许产生低能量的太赫兹光子，这是带间二极管激光器无法达到的。
工作原理（图20）：频率 ν 的光子通过电子从激发态 |e⟩ 到基态 |g⟩ 的子带间跃迁发射，其中 E = hν 是基态和激发态之间的能量差。这个概念的一个优点是：负责发射光子的电子可隧穿到下一个量子阱（有源区），随后发射一个光子。因此，单个电子可以产生多个光子，从而使这一过程变得极其高效。从一个阱到另一个阱的隧穿就是 “量子级联” 这个术语的起源。
图20：QCL：半导体异质结构设计的子带间激光跃迁 “带结构与电子波形工程”，光以电子 “级联” 的形式通过多个量子阱发射，形成 “超晶格”。
作为参考，850nm 的光波长对应的能量差为 1.4 eV。太赫兹频率下成功运行的 量子级联激光器（QCL）在 2002年 首次被证实。从那时起，QCL 在频率覆盖、功率输出和工作温度提高方面取得了迅速发展。通过精心设计量子阱，激光的波长短至 2.75μm（109THz），长至 161μm（1.9THz）。波长较长的器件仍然需要低温冷却，但常温作业最长已达到 16μm。关注点已经 集中在中红外（3.5μm ~ 13μm）和太赫兹光谱（2THz ~ 5THz ≈60μm ~ 150μm）。使用具有腔内非线性混频的长波太赫兹 QCL源 的方法 甚至可以做到低于 1THz 的频率。
实现在室温下工作的太赫兹量子级联激光器的旅程已经向前迈出了一步，最近发表了一种在珀尔帖冷却器范围内 -23°C 的工作设备。
4.6 下变频光子方法：通过光混合从光学到太赫兹
光电频域产生太赫兹：单行载流子光电二极管（UTC-PD）和 作为光合成器 PIN 光电二极管
最近，一种间接产生连续太赫兹波的方法引起了广泛关注：光电二极管可以通过 “光混合” 过程在高带宽光电导体中通过光外差有效地将光信号转换为电信号。它涉及 激光器/红外激光器 在半导体或有机晶体中产生*电荷载流子。这些载流子被内部或外部电场加速，产生的光电流成为太赫兹波的源。
如 图21 所示，在这种方法中，两个连续波（CW）单模激光器（通常在 1.55μm “光纤通信波长”）的输出，发射频率分别为 ν1 和 ν2，在超快 III–V型 化合物半导体光电探测器（InGaAs/InP）中 “混合” ，在太赫兹区域产生光脉冲频率 νTHz = ν1 – ν2 诱导光电流调制。环绕在光电探测器周围的天线结构将振荡的光电流转换成太赫兹波。最先进的光电合成器基于 GaAs 或 InGaAs/InP，并且要求激光波长低于半导体带隙（即分别约 0.8μm 或 1.5μm）。
光混合技术的优点是，通过调谐激光器，拍频可以在很宽的光谱范围内变化，这直接转化为可广泛调谐的太赫兹辐射。
图21：光混合工艺
在两个稍微失谐的单模激光器拍频 νTHz = ν1 – ν2 处产生太赫兹辐射的光混合过程。从光学频率梳中获得的两个频率可以导出极值频率和相位稳定度。 对于数据传输，其中一个激光器由 马赫-曾德尔调制器（MZM）调制：它由一个干涉仪组成，可将光束被分成两束。在其中一个干涉仪臂中，通过电光调制器（EOM）将激光的相位相对于另一条路径进行偏移，从而在两束光束重组后产生建设性或破坏性调制激光束。拍频信号撞击到光电混合器单行载波光电二极管（UTC-PD）上，集成天线发出太赫兹辐射。
常用两种类型的光电二极管：PIN 光电二极管（PIN-PD）和单行程载流子光电二极管（UTC-PD）。这两种最初都是作为光纤通信网络的检波器开发的，但后来进行了修改以满足太赫兹发射的要求。 UTC-PD 最初由日本 NTT公司 开发，用于 40Gbps 的多级光接收，但这些光电二极管已经增强到能够产生高达 4.5THz 的信号。
在适用于通信应用的频段，如 300GHz 频段，已经实现了毫瓦量级的功率水平。
将激光束的可调谐特性与光混合技术相结合，可以将用于为光通信开发的光矢量场生成技术（例如调制带宽 > 100Gbps 的 马赫-曾德尔调制器）应用到太赫兹范围内，从而使技术进步。此外，如果增加额外的频率，这些技术使得实现多频通信相对容易（图21）。这种组合还可以轻松地将这些无线链路集成到光纤基础设施中。此外，片上通信和未来的高速设备间通信也将需要太赫兹波导。这种波导最近已经利用具有接近零弯曲损耗和零反向散射的拓扑谷光子晶体实现。如 图21 所示，将两个频率引入到相同的频率梳发生器，可以将光学梳独特的相位和频率稳定性以宽带和可调谐的方式传输到太赫兹范围。与 图21 所示的发射机对应的接收机侧，可以是肖特基二极管或与发射器侧对称的设置。这项技术也为测试和测量仪器带来了希望，因为它可以通过光电子技术将频谱分析和矢量网络分析的频率范围扩展到太赫兹区域。
通信用太赫兹波：300GHz 点对点传输
图22 显示了在实验室和室外进行的太赫兹数据传输试验（SISO，即一个发射天线和一个接收天线）。在 200GHz ~ 300GHz 之间有一个低大气损耗的传输窗口（图7）。与*空间光链路相比，毫米波或太赫兹传输受 雨、雾 等恶劣天气的影响要小得多。图22 的左侧显示了实验室中 100Gbps 的示例，而右侧的照片显示了法国敦刻尔克港中 300GHz 的传输链路，距离为 850米（具有非常聚焦的波束）。
在 图22 的左侧，IEMN 制造的 UTC-PD InGaAs/InP 芯片，以及光电二极管输出与光电流的响应曲线（来源：IEMN UMR CNRS 8520/法国 Lille-Renatech 大学网络实验室）。该光电二极管采用带有亚波长孔径的半透明顶部接触，以增强光电二极管的光学传输和正面照明（1.55μm 波长）。通过晶圆键合在二极管台面下方使用金属镜，进一步提高了器件的响应度。
在 200GHz ~ 300GHz 之间的太赫兹窗口中实现 100Gbps 传输。
4.7 时域产生太赫兹：基于飞秒激光器的光谱学和成像
另一种覆盖大范围频率（0.1THz ~ 6THz）的替代方法涉及光谱学（TDS）和成像的时域（TD）系统。在这种方案中，脉冲太赫兹辐射是通过飞秒激光器产生的。 激光脉冲用分束器分成两部分：一部分到达太赫兹发射机，另一部分到达探测器。超短激光脉冲在发射器（光电导天线）中产生瞬态电流，从而产生在太赫兹范围内具有宽频谱的电磁波包。
太赫兹脉冲与光谱样本相互作用并到达接收器，接收器以 “Pump-Probe” 的方式工作：入射太赫兹脉冲改变材料的某些特性（例如电导率或双折射），分离的激光脉冲探测这种效应。可变延迟用短得多的 “探头” 脉冲扫描太赫兹波包。然后太赫兹幅度进行傅里叶变换再现频谱。
时域光谱学的优点是光谱范围非常大，测量速度快。商用系统产生的光谱高达 6THz。太赫兹时域系统用于各种工业应用，例如质量保证中的无损检测，特别是聚合物和陶瓷等合成材料。在太赫兹测量中，可以推导出复杂的折射率（介电常数）和几何结构。例如通过到达时间来测量厚度，在纸张生产中，将宽光谱转化为微米厚度分辨率。
图23 显示了由时域光谱仪（TeraFlash pro, TOPTICA Photonics AG）记录的公交卡的太赫兹图像，该样品的探测频率从 100GHz ~ 6THz。
图23：一张日本预付公共交通卡的照片（左图）和处理过的太赫兹图像（右图），揭示了底层电子设备的内部视图（由 TOPTICA Photonics AG 提供）
第五章 毫米波和太赫兹电子的半导体技术
当今社会迫切需要更高速率的无线连接、更高分辨率的雷达成像系统，这会推动微波系统工作频率的不断增加。虽然 5G 已经为 毫米波频率应用在无线网络奠定了基础，但 6G 以及卫星通信的研究仍在进一步推动毫米波系统的发展，使其达到 100GHz 以上的范围。
这一趋势为半导体行业在极高频率下提供高输出功率的组件带来了越来越大的挑战。功率放大器通常以单片微波集成电路（MMIC）来实现，是无线通信和成像系统中最重要的组件之一。它们在输出功率、效率、带宽、线性度和噪声等方面对整个系统的性能有着决定性的影响。
在这里，我们重点介绍了高频应用相关半导体材料的一些关键特性，以及最先进的功率放大器发展现状。
5.1 高频应用半导体的材料特性
高频高功率：III-V族半导体（GaAs，GaN，InP）与 锗化硅（SiGe）
直接带隙的 III-V族半导体 是光电子（激光）和高频应用的理想材料，硅技术具有最先进的大规模制造工艺，可为商业应用提供经济高效的解决方案。
下面的雷达图对不同的高速半导体材料特性进行了总结和比较（图24）。
我们提供以下关键参数的简要说明:
电子迁移率
单位电场强度下所产生的载流子平均漂移速度被称为迁移率。由于电子比带正电的空穴表现出更高的