- Advertisement -
首頁 標籤 DARPA

DARPA

- Advertisment -

100~10,000GHz頻段拓荒 太赫茲THz產業應用超前部署

5G時代甫揭開序幕,行動通訊首次進入30GHz以上高頻毫米波頻段,也帶動高頻技術的研究,前瞻研究團隊紛紛著手5G下世代行動通訊的研究,其中,比毫米波頻段更高的太赫茲(THz)就是最主要的研究標的。而不僅是在通訊領域,該技術在國防、國土安全、天文、醫療、生物、計算機等領域都具備高度應用與商業價值。 太赫茲技術被美國評為「改變未來世界的十大技術」之一,被日本列為「國家支柱十大重點戰略目標」之首。太赫茲頻率上高於微波,低於紅外線;能量大小則在電子和光子之間。由於此交叉過渡區,既不完全適合用光學理論來處理,也不完全適合用微波理論來研究。所以,過去一度被人遺忘,因此也被稱為「太赫茲空白」。基於技術的進步,近年該頻段範圍被認為有高度技術價值,吸引許多團隊投入研究,本文將簡單討論太赫茲技術概況與產業應用潛力。 THz技術具低能量/高穿透特性 太赫茲泛指頻率在0.1~10THz (100~10,000GHz)頻段內的電磁波,與30~300GHz的毫米波頻段部分重疊,波長範圍為0.03~3mm,處於電子學與光子學的過渡區域(圖1)。具有可酬載大量訊息資料、亞皮秒(ps)量級脈衝、高時空同調性(Coherence)、低光子能量、穿透性強、使用安全性高、指向性好、頻寬高等特性。1THz電磁輻射的光子能量只有4.1meV,不及X光電磁輻射能量的百分之一,在醫學檢測上深具應用前景;另外,非極性材料在THz頻段沒有明顯的吸收,因此太赫茲對這些材料有非常強的穿透能力,可以應用在公共場所的安檢。 圖1 太赫茲THz頻段位於電子與光子之間 由於太赫茲輻射的典型時間寬度大約在皮秒或亞皮秒量級,利用其時域光譜技術,可以得到大於104的訊噪比(SNR),遠高於傅立葉轉換紅外線光譜(FTIR);太赫茲的同調性具有相位訊息,在成像、感測方面能提供更多厚度與距離的資訊。由於太赫茲技術深具應用潛力,根據統計目前已有超過300個前瞻技術研究單位投入相關研究,如美國的國防先進研究計畫署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)、貝爾實驗室(The Bell Labs)、噴射推進實驗室(Jet Propulsion Laboratory, JPL)等知名研究單位,DARPA自2004年起,已先後投入超過20億美元,確保其掌握的相關研究水準居全球領先地位。 歐洲與亞洲部分,也有包括歐洲太空總署(European Space Agency, ESA)、德國弗勞恩霍夫應用固體物理研究所(Fraunhofer IAF)、德國聯邦物理技術研究院(Physikalisch-Technische Bundesanstalt, PTB)、英國拉塞福-阿普爾頓實驗室(Rutherford Appleton Laboratory)等;亞洲的NTT docomo、東京大學、京都大學、韓國太赫茲應用研究中心等。加上中國大陸也投入近百個研究團隊。 成像/先進行動寬頻應用潛力十足 在產業應用方面,除了第六代行動通訊6G可能導入太赫茲應用之外,在半導體材料、高溫超導材料的性質研究、斷層成像技術、無標記的基因檢查、細胞水準的成像、化學和生物的檢查,以及微波定向等許多領域都有廣泛的應用潛力。太赫茲頻譜能提供分子的基本結構訊息,如許多輕分子的轉動頻率、大分子或功能團震動模式的諧振頻率都處在太赫茲頻段;太赫茲頻譜也覆蓋了電子材料的低能激勵現象,凝聚態相位介質的低頻振動模式,固體材料的聲子、磁振子、電漿體激元以及液體分子震動等激勵現象。 而隨著對太赫茲特性的深入了解,THz可以成為自動光學檢查(Automated Optical Inspection, AOI)的下世代技術,利用太赫茲成像系統把目標物品的透射譜或反射譜(包括振幅與相位的二維訊息)進行處理、分析,可以得到物品的太赫茲影像,其高透性、無損性以及大多數物質在太赫茲頻段都有指紋譜的特性,使太赫茲成像比其他成像方式更具優勢。可應用於生物醫學、品質檢測、安全檢查、無損檢測等領域。 另外,太赫茲與可見光與紅外線相比,同時具有極高的方向性與較強的雲霧穿透能力,THz通訊可以極高的頻寬進行高保密衛星通訊。所以THz也將成為5G毫米波之後,6G的應用重點(圖2)。2019年3月15日,美國聯邦通訊委員會(FCC)投票通過開放95GHz~3THz頻譜,為6G應用暖身;歐盟也發起6G研究,針對前向糾錯編碼技術、高階通道編碼、通道調變技術進行研究,設定目標為6G傳輸速率超過100Gbps,使用高於275GHz的頻段;中國工信部也發動6G網路研究,目標下載速度每秒1TB,2030年投入商用。 圖2 太赫茲THz於未來無線通訊應用扮演重要角色 太赫茲產業發展如鴨子划水 根據產業研究機構統計,2018年,太赫茲技術市場規模約1.7億美元,預計2019~2024年複合成長率(CAGR)約26%。太赫茲零組件可以分為太赫茲源、太赫茲感測器,截至2014年,全球太赫茲零組件與系統的市場規模為5,600萬美元,預計2023年將成長至4.15億美元,CAGR為25.9%。以應用類型而言,成像應用2021年規模達2.48億美元,2016~2021年CAGR為26.8%;光譜應用2021年產業規模約0.22億美元,2016~2021年CAGR達7.4%,通訊領域的應用2016~2021年CAGR高達213.8%。 太赫茲的頻率很高、波長很短,具有很高的時域頻譜訊噪比,且在濃煙、沙塵環境中傳輸損耗很少,可以穿透牆體對房屋內部進行掃描,是複雜戰場環境下尋敵成像的理想技術,不過太赫茲與毫米波一樣波長短的特性讓訊號容易耗損,單就通訊距離來看,太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收,訊號衰減嚴重,成像掃描需要在一定的距離範圍內。 但是,在某些情況下,有限的傳輸距離反而能成為優勢。因為大氣衰減能使訊號根本無法傳播到遠處敵人的無線電技術監聽機構,可實現隱蔽的近距離通訊。因此也傳出美國正在利用太赫茲傳輸距離相對較短、不易被截獲的優勢,研製通訊距離在5,000公尺左右的近距離戰術通訊設備,一旦成功也可能引發另一波軍備升級風潮。 正當資通訊產業還在忙於解決毫米波元件的成本、散熱、接收、整合性問題之時,6G的話題也悄悄蔓延,以過去成熟的技術為例,太赫茲儘管有許多技術優勢與應用潛力,但目前還處於研究階段,實際應用可能會從航太與軍事領域開始,待更了解技術特性之後,才會逐步導入商業化應用,此時需要開始發展標準、規範,並推動產業鏈的成形。 2030年是不是太赫茲進入商用的時間點,可能有幾個觀察指標,第一個就是5G毫米波技術的進展,現在毫米波應用還有一些瓶頸,未來幾年若能順利解決,有助於太赫茲商業化的推展;第二是太赫茲未來幾年在軍事、航太領域的發展概況,這兩個市場沒有商業考量,單純以技術的可行性為重點,若能證明前述太赫茲技術的各項優勢,對廠商而言就有更高的商業價值。新技術的發展總是令人期待,從現在開始的未來十年,「太赫茲」可能會越來越頻繁出現在人們的工作或生活周遭。
0
- Advertisement -
- Advertisement -

最新文章

- Advertisement -

熱門文章

- Advertisement -

編輯推薦

- Advertisement -