唯一未被人类完全开发的频率——太赫兹波-凯发k8一触即发
08/26/2024
“太赫兹波”是频率范围介于电波和光波之间的电磁波。因其优异的特性而有望被应用于医疗、安防、非破坏性检测以及下一代6g通信等多种领域，但在投入实际使用之前，仍有很多课题需要解决。本文将探讨最后的边界频率、太赫兹波以及将太赫兹波从漫长的研究阶段推进到实际应用阶段的谐振隧穿二极管。
目录
① 医疗、保健领域
② 安防、检测领域
③ 雷达探测领域
④ 智慧农业和基础设施监控等领域
⑤ 回收再利用与可持续发展领域
⑥ beyond 5g/6g以及更新技术领域：超高速无线通信
⑦ 太空开发和人造卫星等领域
1．唯一未被人类完全开发的频率“太赫兹波”是指？
电磁波已被用于现代社会的众多应用中，但其频率和波长对其特性和用途有很大影响。另外，即使同为电磁波，也有不同的分类，低频短波、微波、毫米波被归类为“电波”，而包括可见光在内的红外线、紫外线等被归类为“光波”，更高频的x射线和γ射线等被归类为“射线”。太赫兹波的频率正好处于电波和光波的中间（约100ghz～10thz）。
太赫兹波是兼具电波和光波特性的电磁波。
例如，太赫兹波既具有像电波一样的强穿透性，也具有像激光一样的直进性，因此也适用反射镜和透镜等光学技术。另外，高分子等材料具有特有的吸收特性（指纹光谱），可实现比传统无线通信系统更快的通信速度，而且不易受到x射线和y射线等射线的辐射影响，安全性更高。
这些特性优势，使得太赫兹波有望在电波和光波难以触及的众多领域大展身手。
2．为什么太赫兹波仍“未完全开发”
太赫兹波有望进一步推动人类文明的发展，并带来更加便捷和安全的生活，但为什么至今仍“未被完全开发”呢？
事实上，据说太赫兹波的研究始于1890年代，距今已有约130年的历史。
尽管已经有100多年的研究历史，但尚未投入实际应用，其原因之一在于太赫兹波对于开发人员来说是“难以把握的频段”。太赫兹波是处于电波和光波中间的电磁波，通常，电波和光波所涉及的技术领域是不同的。因此，对于电波和光波领域的开发人员来说，太赫兹波的未知部分太多，门槛很高。
另一个主要原因是太赫兹波的研究成本非常高。
太赫兹波的产生和探测是一项非常难的技术，不仅很难有效地获得高输出，而且由于能量太低而无法以光的形式探测，频率太高而无法以电波的形式探测。在常见的系统中，太赫兹波的产生效率很差，探测灵敏度也非常差，因此要想推进相关研究，就需要开发与太赫兹波特性相吻合的发生器（振荡源）和探测器。太赫兹波探测系统的开发动辄需要数百万乃至数千万日元以上的成本，具体费用会因应用需求而异。
而且，由于电路结构也很复杂，难免会使系统体积变大，从而使成本更高。例如，通过倍频方式所用的现有的太赫兹波源，通常需要使用单侧10cm以上的大尺寸器件。这种尺寸除了大型工业设备之外，几乎无法安装在其他应用设备上。
此外，要想实现太赫兹波的实际应用，必然需要将发射电波的规则形成标准，并制定相关的法律法规。而这涉及到的范围不仅包括信息通信，还包括雷达探测和成像等无线电业务。另外，在使用电波和光波相融合的太赫兹波时，目前与电波法分离并被划分到光学领域的分光光谱测量，预计也会被视为无线电业务范畴。
3．太赫兹波开辟的更安全、更安心的未来
虽然太赫兹波的实际应用门槛非常高，不过一旦成功跨越这些门槛，就有望给社会生活带来巨大改变，促进文明的飞跃式发展。那么，太赫兹波可以在哪些场景中使用呢？
① 医疗、保健领域
由于太赫兹波没有辐射风险，可对人体和生物进行安全的非破坏性检测和透视成像，因而有望成为x射线的部分替代技术。另外，因其具有透镜聚光的特性，还有望在高分辨率断层扫描三维成像领域以及区分正常细胞和癌细胞等的病理测试（主要针对皮肤癌）领域得到广泛应用。（由于水分导致的衰减，无法看到人体内部，但可以对蛀牙进行成像或扫描干燥物质。）在医疗保健领域，还能以不接触的方式测量细胞（皮肤）含水量和皮下血糖值。
② 安防、检测领域
在机场海关等场所，太赫兹波有望作为一种更安全的安检方法取代用x射线检查行李。如果能够利用太赫兹技术实现手持尺寸的透视设备，那么无需接触人体即可轻松对口袋内、衣服内和鞋底等位置进行检查。此外，利用太赫兹波可通过检测分子结合状态来识别和区分物质的特性，还可以在打击毒品等非法活动的边境管制措施中发挥作用。
另外，由于可利用无机物与有机物的有效介电常数差异进行检测，因此太赫兹波可以在半导体、ic卡等精密产品的检查、文物及美术作品等的修复、防止伪造的非破坏性检测、食品等的异物防范措施等应用领域，助力提升品质管理水平和提高安全性。
③ 雷达探测领域
利用太赫兹波作为电波是最高的频率，并且波长最短的特点，有望开辟更精确的探测技术领域。目前，高分辨率太赫兹雷达的研发不断取得进展，这种雷达可提高智能工厂中使用的agv（无人搬运车）和amr（自主移动机器人）、以及汽车adas（高级驾驶辅助系统）和ad（自动驾驶）等的安全性。
另外，在火灾和地震等灾害现场的有毒气体检测和用来搜寻生命体的成像装置中应用太赫兹技术，将有助于更快速、更安全地救援和救助受灾人员，并预防次生灾害的发生。
④ 智慧农业和基础设施监控等领域
太赫兹波具有容易被水吸收的特性。这一点可以被视为缺点，但也可以说太赫兹波具有可检测微量水分的优点。即使是不透光的物质，只要是太赫兹波能穿透的物质，也可以检测其内部状态。例如，实时检测植物的水分含量并进行量化，有助于智慧农业的发展。在无人机上配置太赫兹传感器，可找到桥梁的生锈位置和混凝土裂缝，还能检测出微小的漏水位置，因此，太赫兹技术在基础设施监控领域也可以发挥重要作用。
⑤ 回收再利用与可持续发展领域
太赫兹波也有望应用在塑料高效分选技术中。对于难以通过光进行分选的黑色树脂材料，可利用太赫兹波通过成分来区分，因此是太赫兹技术一种可以有效提高回收利用率的技术。塑料的回收利用是在全球范围都备受关注的领域，相关的法律法规也日渐完善。在回收利用和可持续发展领域，预计未来还会有很多课题，需要找到解决这些课题的方法，而太赫兹波应该能够为解决这些课题做出贡献。
⑥ beyond 5g/6g以及更新技术领域：超高速无线通信
太赫兹波的传输速率预计超过100gbps，对于下一代通信基础设施所采用的超高速无线通信系统而言，是非常有潜力的技术。太赫兹波打造的目标世界是消除有线通信和无线通信之间的传输速度差异，所有设备能够无缝连接的世界。
然而，要投入实际应用还存在一些壁垒。无线电波的频率越高，相对于距离的衰减越大，因此使用太赫兹波的通信系统存在容易受雨雪等天气条件影响、容易被建筑物遮挡等缺点。所以通常认为它非常适合在近距离且能见度良好的环境中或者室内使用。目前已经有了一些应用方案，例如将其用于通信网络中的中继“回程链路（backhaul）”。不管怎样，要想有效构建太赫兹通信基础设施，就需要像照明一样，用足够亮度的太赫兹波来照亮我们需要的环境。目前，全球正在稳步推进以此为目标的技术开发。
⑦ 太空开发和人造卫星等领域
解释宇宙起源的理论之一“大爆炸理论”是通过观测来自宇宙的微波背景辐射（以sub-thz为主）而形成的理论体系。可以说太赫兹波观测的历史就是从这里开始的。从太空传到地球的电磁波，竟然有90%以上属于太赫兹频段。通过这些观测，我们人类开始逐渐了解宇宙。如今，人类正在从只是观测进入到积极利用这种电磁波的时代。
太赫兹波涵盖最高频率的无线电波，这也意味着与使用其他无线电波时相比，使用太赫兹波时天线可以做得非常小。现有产品仍然在使用中空波导管和喇叭天线等又大又笨重的部件，即便如此，与微波和毫米波段相比，仍然可以用小一个数量级的天线来实现同等的天线增益。预计这将有助于缩小系统整体的体积。例如，据了解，如果将人造卫星上的通信和感测系统所使用的波段替换为太赫兹波段，不仅有助于系统小型化，还能降低通信时的每比特功耗。
4．利用谐振隧穿二极管 (rtd) 开辟新天地！
太赫兹波已在全球范围备受关注，但目前到投入实际应用阶段还有一段路要走。考虑到成本和系统体积等瓶颈问题，即使发展潜力很大，鉴于开发会涉及到费用和时间等风险较大的问题，还是难免踌躇不前。
在这种背景下，rohm多年来与东京工业大学的浅田雅洋名誉教授、铃木左文副教授，以及其他多所大学和研究机构合作，持续研究开发太赫兹振荡和探测器件。通过使用称为“谐振隧穿二极管（rtd：resonant tunneling diode）”的半导体器件，已经成功实现了能够有效产生和探测太赫兹波的器件的内部生产，目前正在致力于产品落地相关的开发。
这种rtd是非常先进的隧穿器件，继承了诺贝尔物理学奖获得者江崎玲于奈先生的“江崎二极管（穿隧二极管）”的优势，体积超小，功耗低，有助于降低设备成本，有望推动太赫兹技术尽快实现实际应用。
rtd是尺寸与led相似的器件，其特点是非常易用，而且适用于各种应用。rohm坚信这种先进的太赫兹器件rtd非常有助于文化的发展与进步，目前正在持续推动相关的研究和开发，以尽早投入实际应用，并在全球得到普及。
