6G及以后：太赫兹研究综述

最近对太赫兹技术的研究可能是下一代无线和先进成像技术的关键。

太赫兹技术使用电磁频谱的亚毫米波段，位于红外光和毫米波长之间。太赫兹辐射的范围在30微米到3毫米之间，比红外光具有更好的深度穿透力，比微波具有更高的分辨率。太赫兹辐射也是非电离辐射，因此在人类和动物周围使用是安全的。

 

电磁波谱中的太赫兹波段。

 

本文重点介绍了太赫兹辐射的一些用途。我们还将讨论研究人员如何研究太赫兹信号的生成和检测，以克服无线实现的挑战。

 

太赫兹技术的用途（和挑战）

从世界上第一个太赫兹IC到最紧凑的太赫兹激光器，太赫兹波长在过去的一个世纪里一直是一个热门的研究课题。近年来，太赫兹研究在从高级传感和光谱学到下一代无线通信的各个领域都有潜在的应用。

 

太赫兹光谱仪器示意图。图片由RSC Advances提供

 

太赫兹技术在医学应用中很有用，包括用于皮肤和牙齿诊断的成像。它还通常用于无损安全筛查和检测不需要的材料。也许最常见的是，太赫兹技术被认为可以产生低延迟和快速的无线数据传输，同时减少拥塞，使其成为第六代无线电信（6G）的可能候选者。

研究人员已经证明，使用太赫兹波长可以产生超过5G网络的数据传输速度。即便如此，这些技术仍处于发展的早期阶段，并面临着关键的挑战，如路径损耗，即电磁波在给定介质中传播时功率密度降低。太赫兹技术也很昂贵，并且缺乏有效的源和探测器设计，使其无法被广泛采用。

 

研究人员开发高灵敏度太赫兹探测器

最近，剑桥大学、奥格斯堡大学和兰卡斯特大学的一组科学家发表了他们对一种使用二维（2D）电子气的新型太赫兹探测器的发现。电子气在两个轴上自由移动，但在第三个轴上受到严格约束，因此在3D环境中看起来像是2D平面。

通过将传感器暴露在太赫兹辐射下，研究人员能够读出比之前理论上更强的信号。他们将这些发现归因于电磁波在不同频率下与物质相互作用的方式，这种方式建立在人们已经熟悉的光电效应的基础上。

 

剑桥大学研究人员开发的太赫兹探测器。图片由Wladislaw Michailow和剑桥大学提供

 

由德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹发现，当超过一定能量阈值的光照射到选定材料的表面时，就会产生光电效应。先前与该材料结合的电子随后被释放。这是许多重要的现代技术的基础，如太阳能发电和光学成像传感器。

到目前为止，还没有观察到光电效应在太赫兹范围内起作用。虽然这个科学家团队仍然不完全理解他们的发现是如何以及为什么工作的，但他们的实验证明对太赫兹技术的未来有很多好处。这种新特性被命名为“平面内”光电效应，源自2D电子-气体平面。

当它检测到太赫兹辐射时，该团队的传感器产生的响应幅度比其他方法强得多。这使新的检测器具有相当高的灵敏度，从而减轻了贬值信号的路径损耗。

 

锂改善太赫兹光子源

太赫兹技术的另一个最新发展，这次是在信号生成领域，来自中国南开大学的一个研究团队和他们在加拿大INRS-ENT的同事。在王嘉义、夏世奇和王立德教授的领导下，一组科学家开发了一种用于新型太赫兹源模块的铌酸锂光子芯片。

所讨论的材料是一种非天然存在的晶体，其化学成分为锂、铌和氧。这种材料通常用于工程中，特别是在电信和非线性光学中。

 

Su–Schrieffer–Heeger型微结构中太赫兹波的非线性产生和限制。图片由Wang等人提供

 

该团队使用包含铌酸锂波导带的光子微结构制造了传感器。这些条纹能够进行局部琐碎和非平凡的过渡。接下来，他们使用飞秒激光写入方法，在光子芯片的中央界面插入了一个拓扑缺陷。该团队直接绘制了太赫兹场的地图，展示了他们芯片上的可调谐限制。利用这种方法，科学家们通过拓扑保护实现了波的限制。

这项研究为工程师们提供了一个新的平台来调整太赫兹辐射的限制和拓扑特性，为光子电路在先进的电信和成像应用中用于信号生成开辟了新的可能性。

 

6G采用太赫兹

太赫兹采用的一个主要障碍是设计和实现在现实世界环境中高效、经济且可操作的发射器和接收器模块的挑战。解决这些问题不仅需要先进的医疗和安全太赫兹传感器，还需要开发其他间接依赖于更快无线协议的新兴技术。

即使在5G标准的理论限制下，当前的无线技术也不支持全息图、人工智能，甚至不支持足够大的4K视频流。剑桥大学和南开大学的这两项新发现为使用太赫兹频率的电子学开辟了可能性，推动了第六代无线网络的未来。