太赫兹波（Terahertz,THz）是指处在亚毫米波与远红外线之间、频率为0.1~10THz、波长为30um~3mm的电磁波（也有学者认为是0.3~3THz[2]）。如图1.1为电磁波频谱，由于太赫兹波在电磁频谱上的特殊位置，因此有光子和电子两种形式的太赫兹波。近年来由于日趋成熟的精密加工技术，太赫兹技术被广泛应用于短距通信和成像。太赫兹频段目前还没有被充分利用，包含着丰富的频谱资源，具有巨大的应用前景和市场。
图1.1 电磁频谱
由于在电磁频谱上处于独特的位置，太赫兹波在遥感和通信应用方面也有着独特的特征，然而这些技术并没有像微波和光学技术一样成熟。
太赫兹波的波长限制着高光子能量的产生（
），而电子学领域的太赫兹信号源和检测器被有源器件在高频频段的性能所限制（）。此外，太赫兹频段的测量仪器不仅非常短缺而且价格昂贵。因此，目前太赫兹技术的研究状况，如太赫兹辐射的信号产生、信号检测和分析并不如微波领域或红外光子领域发达。这个技术壁垒就是太赫兹波空隙。如图1.2中太赫兹信号源输出功率和频率的关系，可清楚地发现太赫兹领域研究技术还很不完善。
图1.2 太赫兹信号输出功率和频率的关系
电磁波辐射的衰减量与大气分子谐振频率密切相关。太赫兹波辐射时，会激起大气气体和水分子振荡，因而具有相对于低频段信号更高的大气衰减。如图1.3所示，在不同频段，大气衰减量不同，因此形成了形似窗口的频段，在这些窗口范围内大气衰减值相对较低。所以工作在这些窗口频率附近的太赫兹成像或通信收发机会具有较高的工作效率。
1.4 太赫兹的应用
太赫兹的应用很广泛。例如太赫兹时域光谱技术可以用于食品药品监管；太赫兹成像技术可以用在安全检查和太赫兹雷达等领域；太赫兹通信也是一个重要的应用，可以获得10GB/s的无线传输速度，特别是应用在卫星通信领域。太赫兹还在太赫兹辐射、高温超导材料的性质研究等领域有着广泛的应用。文中主要针对太赫兹的成像应用进行调研。
太赫兹成像和光谱学都是极具吸引力的研究方向。相较于吉赫兹频带，由于其短波特性，太赫兹波用于成像时能达到更高的分辨率。由于光谱吸收特征，太赫兹成像的应用方向主要有农业食品检测、安防或危险品检测、癌症检测、DNA结合状态无标记分析等等。
太赫兹成像机制与X射线成像机制不同，前者由于光子能量低，不会对被测物质有破坏性电离。在光谱学方面，太赫兹辐射可以通过被测物质分子振荡鉴别被测物质，因此可用于有毒和爆炸物检测。在远程感应方面，由于许多气体在这个频段有独特的吸收线，可以用在气体检测方面。如图1.4所示，就是太赫兹成像的一些典型应用。
图1.4 太赫兹应用
1.5 应用案例
1.5.1通信领域的典型应用
THz在通信领域的应用主要包括外太空星间通信、高速短距无线通信、宽带无线安全接入、宽带通信和高速信息网等。THz应用在通信领域主要有以下3点优势。
1）、毫米波/THz是很好的宽带信息载体，它比微波能做到的信道数多得多，毫米波/THz用于通信可以获得10GB/s-100GB/S的无线传输速度
2）、毫米波/THz在远距离的空间通信中具有更好的方向性，并且天线系统可以做得趋于小型化和平面化
3）、2012年世界无线电通信大会(WRC-12)明确指出未来275GHz~3000GHz之间频段资源可提供登记使用。
图1.5 太赫兹在空间通信示意图
1.5.2检测领域的典型应用
THz在检测领域的应用主要包含了机场等公共场所的安检、生物医学成像、材料无损监测、大气污染物检测等几方面。 THz波应用于检测领域的优势主要体现在以下三方面。
1）、毫米波/THz辐射不能穿透金属，因而毫米波/THz可以用于对隐藏金属武器的探测
2）、极性物质对毫米波/THz有强烈的吸收，因而可用于生物医学成像和光的检测等
3）、毫米波/THz辐射对很多非极性物质有很强的穿透能力，并且辐射性低。
图1.6 太赫兹在检测领域使用示意图
1.5.3医学领域的典型应用
THz在医疗领域的应用主要包含了疾病诊断、蛋白状态识别、检测受体绑定、无标记DNA测序、生物组织相互作用，其主要优势体现在：
1）、DNA、RNA、蛋白质等生物大分子的旋转及振动能级多处于毫米波/THz频段，因此可以对生物大分子的结构、性质进行分析鉴定乃至精确操控和调节
2）、毫米波/THz对组织有一定的穿透能力，能量只有X射线的百万分之一，不会引起生物组织的电离性，在生物医学成像方面非常安全，适用于生物医学成像。
1.6 太赫兹技术的发展路线
当前太赫兹的主要发展路线分别为：
1）、固态电路技术，以二极管/晶体管/传输线/波导/天线/连续波振荡器为基本单元来实现太赫兹技术的载体─固态电路源，宽带直接（窄带外差）检测单元。
2）、基于光的改进技术，采用光混频或者非线性晶体的光整流将窄带激光源下变频至太赫兹频段，或者采用人工带隙材料实现太赫兹激光器来实现太赫兹应用。
3）、太赫兹时域频谱技术，采用非线性晶体或者快速光导开关和天线检测太赫兹源辐射源的宽带频谱，从而实现太赫兹应用。
1.7 太赫兹固态电路技术发展的挑战
随着工艺的进步、电路设计经验的积累和计算机资源的提高，太赫兹固态电路设计取得了很大的进步，但依然存在了一定的难度和挑战，如器件模型的准确性、工艺的衬底损耗、有源器件的耐压降低等。因此，太赫兹固态电路关键路线主要从精确的元件模型和先进的电路架构入手进行考虑，如下图1.8所示。
图1.8 太赫兹在医疗领域使用示意图
故在元件模型与先进电路设计中遇到的挑战有以下几方面：
1）、毫米波/THz有源器件行为和表征方面的挑战，场分布和小尺度效应影响剧增，微小寄生量、以及工艺参数的偏离，即可造成毫米波电路性能大幅度的偏差 。
2）、毫米波/THz无源结构的损耗机理方面的挑战，材料损耗与辐射损耗导致现有传输结构损耗增加。
3）、毫米波/THz集成电路设计及仿真方法方面的挑战，如THz集成电路片上元件尺寸与波长可比拟， 辐射损耗加大，电磁环境复杂；工作频率接近有源器件的截止频率导致增益、功率急剧下降；工艺的偏差导致频率、性能的误差。
4）毫米波/THz集成电路EMC方面的挑战，THz集成电路工作频率提高、电路尺寸减小 ，噪声容限降低，信号传输速率提高至Gbps甚至更高，而复杂的外部及电路内部电磁环境会直接影响电路性能。