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太赫兹与可见光通信
资料介绍
一、引言
随着移动互联网、物联网、元宇宙等新一代信息技术的快速发展，全球无线数据流量呈现指数级增长态势。根据国际电信联盟（ITU）预测，到2030年全球移动网络数据流量将达到2020年的100倍，现有Sub-6GHz频段的频谱资源已经无法满足未来海量数据传输的需求，开发新的空闲频谱资源成为无线通信领域亟待解决的核心问题。太赫兹通信和可见光通信作为两大典型的超宽带无线通信技术，均位于尚未大规模开发的频谱区间，能够提供数十吉赫兹甚至上百吉赫兹的可用带宽，理论传输速率可以达到百Gbps甚至Tbps级别，被业界公认为是第六代（6G）移动通信的核心候选技术，有望从根本上解决未来高速无线通信的频谱短缺问题。
二、太赫兹通信技术概述
2.1 太赫兹通信的频谱特性
太赫兹波一般指频率在0.1THz~10THz范围，波长在3mm~30μm之间的电磁波，位于微波和红外光波之间，是电子学向光子学过渡的特殊频段。和传统微波频段相比，太赫兹通信具有四个突出特点：第一是带宽极宽，太赫兹频段可用带宽高达数十THz，可以轻松支持百Gbps以上的无缓存超高清视频传输；第二是波束极窄，太赫兹波波长很短，可以实现纳米级别的天线阵列，波束宽度可以压缩到度甚至毫度级别，方向精度高，抗干扰能力和保密性强，非常适合点对点高速保密通信和空间高密度组网；第三是穿透能力强，太赫兹波可以穿透陶瓷、塑料、布料等大部分非金属材料，能够实现非视距通信和穿墙探测，适合复杂环境下的室内通信；第四是光子能量低，1THz太赫兹波的光子能量仅为4meV，远低于可见光和X射线，不会对生物组织产生电离伤害，适合用于人体区域通信和医疗监测。
2.2 太赫兹通信的核心技术挑战
太赫兹通信虽然频谱优势突出，但也面临多项技术瓶颈：第一是硬件器件限制，传统的CMOS工艺在太赫兹频段增益和效率都会急剧下降，高功率太赫兹源、高灵敏度太赫兹探测器、低噪声太赫兹放大器的成本目前仍然居高不下，大规模商用化还需要突破工艺瓶颈；第二是路径损耗大，太赫兹波在空气中传播时会受到氧气、水蒸气等分子的吸收作用，降雨、大雾也会进一步加剧衰减，传输距离一般被限制在几百米以内，适合短距离高速接入场景；第三是波束对准难度大，太赫兹波束极窄，移动场景下终端快速移动时，很容易出现波束偏移，需要高精度快速波束跟踪和对准算法来保障通信链路稳定；第四是信号处理复杂度高，太赫兹宽带信号的模数转换（ADC）、数字预失真（DPD）等信号处理模块对芯片算力要求极高，现有基带处理芯片还无法满足太赫兹通信的大规模量产需求。
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