太赫茲探測與通信技術新進展

陳 實，胡偉東

(北京理工大學 北京市毫米波與太赫茲技術重點實驗室，北京100081)

太赫茲探測與通信技術新進展

陳 實，胡偉東

(北京理工大學 北京市毫米波與太赫茲技術重點實驗室，北京100081)

回顧了太赫茲技術的最新進展，并總結了未來的幾個重要方向，重點介紹幾種關鍵的太赫茲技術，包括太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲調制和太赫茲檢測。簡要介紹了當前太赫茲技術的發展現狀和應用情況，如射電天文學、物體無損檢測、醫療成像、安檢等太赫茲探測應用和太赫茲通信概況。對太赫茲探測和通信最新技術進展進行了回顧，給出了該領域的前瞻研究方向。

太赫茲波；太赫茲探測；太赫茲通信；太赫茲源；太赫茲傳輸

0 引言

太赫茲(THz)波是位于毫米波和紅外光之間的一段電磁波[1]。目前，學術界傾向于將太赫茲波的頻段定義為0.1～10 THz之間。因此，太赫茲科學技術處于電子學和光子學的交叉領域，是一門涉及物理學、材料科學、光學、微波毫米波的綜合學科。

太赫茲波兼具微波和紅外的共通特性，如安全性、瞬態性、寬帶性、相干性、強穿透性等，預示著其良好的科研價值和應用前景。例如:太赫茲頻段光子能量較低，頻率為1 THz的電磁波的光子能量不會產生電離效應，和傳統X光相比，在保證探測深度的情況下，更適合于對生物組織進行活體檢查[2]，也不會對探測體造成損壞，可以實現無損檢測[3]；太赫茲波對介質材料有著良好的穿透能力，在損耗不大的情況下，對于陶瓷、布料、紙張、塑料等具有很強的穿透力，從而可作為探測隱蔽物體的手段[4]；太赫茲波的帶寬很寬，通信傳輸容量大，時域頻譜信噪比高，太赫茲用于通信將具備以下特性，包括潛在的太比特級別傳輸能力，微型可靠的收發器結構和潛在的高效率，可運用于短距離無線通信、短距離大氣通信、軍事通信等場合[5]；太赫茲波具有方向性好、能穿透云層等特點，而且其來源不受時間的影響，探測器可以全天候工作[6]。由于探測器件的尺寸和重量要遠小于微波器件，適合衛星和空間站搭載，在射電天文、大氣遙感等領域中具有重要的研究和應用價值[7]。

1 太赫茲技術

太赫茲科學中的關鍵技術主要包括：太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲調制、太赫茲檢測等。近年來高能寬譜太赫茲源、基于寬波段太赫茲技術的時域光譜分析、太赫茲光譜成像等技術逐步實用化，同時基于遠紅外自由電子激光的太赫茲輻射源、InP基的量子級聯激光器等太赫茲源也有進一步發展[8]。近些年來，基于III-V族(如GaAs和InP)化合物半導體和SiGe化合物半導體的大幅發展，穩定的太赫茲源、太赫茲檢測器件、高功率太赫茲電真空器件(如太赫茲自由電子激光和太赫茲返波振蕩器等)均有突破性進展，在太赫茲頻段可視為合適的產生和探測手段。材料和器件的發展也推動了太赫茲探測和通信技術的同步提升，在射電天文、無損檢測、醫學成像、安檢等太赫茲探測和短距離高速無線通信、寬帶安全接入和通信、高速通信網絡、空間通信、軍事保密通信等太赫茲通信中的關鍵技術正受到越來越多的重視[9]。以下將介紹太赫茲領域的若干關鍵技術。

1.1 太赫茲源

本節著重介紹當前用于科學研究和工程應用的不同類型的太赫茲源。在太赫茲領域，高性價比、大功率、可工作于室溫下的太赫茲源是任何太赫茲技術及其應用的基礎。按照產生機理，太赫茲源分為基于光學效應和基于電子學兩類[10]，包括光電導法、光整流法、倍頻太赫茲源及量子級聯激光器等。

1.1.1 基于光學效應的太赫茲源

太赫茲脈沖一般由如下幾種光學方法產生：光電導、光整流等。頻譜分量可高達幾十THz，但是輸出能量相對不高。

光電導天線是目前太赫茲源產生的主要方法之一，屬于超快光電子技術。光電導天線利用表面沉積技術，生長在GaAs等光電導半導體材料表面。GaAs光電導半導體材料受到激光照射后，瞬時被大量激發形成光電流，進而產生太赫茲輻射[11]。2009年，黃振通過太赫茲時域光譜技術(terahertz time-domain spectroscopy)對光電導天線發射的太赫茲脈沖進行測量，測量結果為時域發射光譜，并通過FFT得到對應的頻域光譜[12]。

光整流方法利用光束在非線性介質傳播的光整流效應，兩個光束或者一束高強度的單色光束在非線性介質傳播時，介質內部通過差頻振蕩效應激發低頻電極化場，進而輻射出太赫茲電磁波[13]。2013年，Huang等人通過光整流在低溫冷卻的鈮酸鋰中產生了轉換效率和能量都較高的太赫茲脈沖，轉換效率大于3.8±0.4%[14]。

1.1.2 微波倍頻太赫茲源

二固態倍頻鏈太赫茲源的主要優點包括：具有固有的可鎖相特性以及頻率捷變特性；可工作在室溫下，制冷可提高性能；性能非常穩定、體積很小，直流功率低，可以長時間使用[15]。其中GaAs肖特基(Schottky Diode) 二極管應用最為廣泛，由于其電壓——電流的非線性效應，作為重要的太赫茲器件廣泛應用于混頻鏈路、倍頻鏈路和檢波器等多種場合。目前基于GaAs肖特基二極管的倍頻鏈路結構是微波倍頻太赫茲源的主流方案。 JPL實驗室、VDI公司、Rutherford實驗室等在國際上處于領先水平。

1.1.3 量子級聯激光器太赫茲源

量子級聯激光器(QCL)是基于能帶躍遷理論的單極光源，目前技術已較為成熟，能夠在室溫條件下以連續波形式工作，其波長能夠覆蓋太赫茲頻段。QCL的受激輻射僅僅依靠電子就可以使有源區內多個量子阱能級發生粒子數反轉，從而達到電子與光子的單輸入-多輸出關系，而且激射波長是由量子阱層的厚度決定。2014年Li等人研發了輸出頻率為3.4 THz、輸出功率大于1 W的太赫茲QCL芯片[16]。最新的QCL已經成功在200 K的溫度下正常工作，輸出頻率可達3.2 THz[17]。

1.2 太赫茲傳輸

與微波毫米波相比，太赫茲波傳播時的損耗不可忽略，因此太赫茲傳輸線多使用波導傳輸線。不同波導傳輸線在太赫茲頻段下的損耗特性和色散特性，成為太赫茲傳輸領域的研究重點[18]。低損耗色散、高功率容量的太赫茲波導傳輸線，包括金屬圓波導、平行平面金屬波導、金屬線波導、帶有金屬涂層的介質波導、全介質波導等成為當前的研究熱點[19]，同時考慮雙線傳輸結構、光子晶體等。

1.3 太赫茲調制

對于太赫茲通信系統而言，高傳輸速率、低誤碼率必須由高效可靠的調制技術保障，其中太赫茲調制技術和太赫茲調制器是該領域的研究重點。由于太赫茲頻段處于微波和光學的交叉領域，當前成熟的微波調制技術和光調制技術均不適用，高速寬帶的太赫茲調制器也尚待研究。近年來提出了基于半導體、石墨烯、光子晶體、超材料等不同材料的電子、光學、熱和非線性調制的方法。采用全新電子材料研制開發的太赫茲調制器作為太赫茲系統的重要組件，在各方面展示了調制太赫茲波的性能。太赫茲調制器的重要參數為調制深度和調制速度，可調制如振幅、相位、譜和表征時空特性的物理量。2008年Cooke采用光激勵硅鍍膜工藝，在平板波導結構內對太赫茲波進行調制，實驗驗證調制深度達到70%[20]。2011年Willie Padilla采用高電子遷移率管(High Electron Mobility Transistor，Hemt)和電控太赫茲超材料(Electrically Switchable Terahertz Metamaterials)技術，實現了調制速度為10 MHz、0.46 THz的太赫茲調制器[21]。

1.4 太赫茲檢測

針對較低功率的輸出和較高的熱輻射噪聲，高靈敏度的太赫茲檢測器必不可少。通常把太赫茲信號檢測技術分為非相干直接能量類和相干時域連續波類。非相干直接能量類采用直接方式檢測，一般狀況下，只可以檢測太赫茲波的輻射強度，不包括其相位信息，這種檢測方法為非相干類寬帶檢測。后者屬于相干檢測，又可以細分為太赫茲時域光譜檢測技術和太赫茲低頻端超外差式檢測器的檢測技術。

1.4.1 太赫茲相干檢測技術

太赫茲相干檢測技術類似超外差檢測法，處理時需要通過一個非線性設備混頻器進行，混頻器將難處理的高頻太赫茲信號，轉換到可方便處理的中頻信號，然后進行放大和測量。目前太赫茲頻段常用的混頻檢測器主要有3種：肖特基二極管(Schottky Diodes)混頻器、超導SIS(Super-conductor Insulator Superconductor)混頻器、熱電子輻射熱計(Hotel Ectron Bolometer，HEB)混頻器。美國NiCT研究機構長期研究基于全NbN超導的SIS結混頻器。所研制的全NbN超導SIS混頻器已達到了低于5倍量子極限的噪聲溫度[22]。

1.4.2 太赫茲非相干檢測技術

該技術在不需要本振信號和中頻放大器等的情況下，可以把被測的信號轉變為常用的電壓、電流信號，太赫茲波直檢器包括常溫類和低溫類。其優點是較寬的探測頻段，系統簡單。但是，只包含幅度信息，不包括相位信息；其缺點是在后端讀出電路中對低噪聲有較高要求；靈敏度低、響應時間長、有標定問題、背景噪聲影響大等[23]。

2 太赫茲探測應用

太赫茲波的諸多特性決定其廣泛的應用前景，例如針對材料分子的時域光譜信息分析、針對非導電材料的無損檢測、針對爆炸物和毒品等的反恐檢查、針對無線通信網絡高信息率和高速數據傳輸速率的短距離寬帶通信等。

2.1 太赫茲射電天文

由于宇宙背景輻射在太赫茲頻譜中存在豐富的信息，這使得太赫茲射電天文成為天文觀測的重要手段。通過使用太赫茲波對宇宙背景輻射進行研究，可以理解更多關于太陽系以及宇宙的進化過程[25]。

2.2 太赫茲無損檢測

與X射線類似，太赫茲波也具備一定的穿透能力。由于太赫茲頻段光子能量較低，不會對探測體造成損壞，可以實現無損檢測。太赫茲波這一特點對于檢測非導電材料中的隱藏缺陷或者特殊標記具有很大的發展空間。作為一種無損無創性檢查手段和現有檢驗手段的補充，太赫茲無損檢測技術可應用于文物探傷、書磚修復、航空泡沫芯材缺陷檢測。2014年Angrisani等開發了一套太赫茲無損檢測系統，針對航空復合材料出現的早期亞毫米裂紋檢測，大大提高了檢測速度[26]。

2.3 太赫茲安檢

連續波太赫茲源作為安全檢查手段，可以彌補X射線成像和超聲波成像等技術的不足，能有效地識別出藏在衣服中的槍支、刀具等金屬武器，以及爆炸物、疑似病毒或炸藥的包裹等。中電集團(CETC)第三十八研究所于2014年成功研制太赫茲安檢儀并已在新疆、深圳等地投入使用，填補了太赫茲非接觸主動式人體安檢產業的空白[27]。

3 太赫茲通信應用

太赫茲波通信是指用太赫茲波作為信息載體進行的通信，集成了微波通信與光通信的特點：太赫茲波的高可用帶寬允許處理潛在的巨大通信量；不同于可見光，太赫茲波具有一定的穿透能力，能夠攜帶某些非視距 (Non-line-of-sight，Nlos) 數據。

室內太赫茲寬帶移動通信隨著高清電視、大數據、物聯網和社交媒體對無線通信網絡信息率持續增加的需求，促進這種網絡增長的一個顯著的方法是利用太赫茲可達100 Gbit/s的高速數據傳輸速率特性。

2004年，NTT公司基于UTC-PD光電變換太赫茲源作為發射機、肖特基二極管檢測作為接收機研制了一套太赫茲無線通信系統，工作頻率為0.125 THz，2008年將該系統用于北京奧運會賽事直播演示[28]。2016年NTT公司基于正交偏振復用技術開發了世界上首臺0.3 THz的太赫茲通信系統，并驗證了傳輸速率可達4 Gbit/s、傳輸距離為1.1 m，系統如圖2所示。2011年德國IAF研制了一套全固態太赫茲無線通信系統，工作頻率為0.22 THz[29]。2013年IAF采用Mhemt工藝，將發射機和接收機集成在面積為4 mm×1.5 mm的TMIC芯片上，在0.24 THz上基于全電子學方式實現了40 Gbps速率、1 km距離的太赫茲無線通信系統[30]。以上太赫茲通信系統的出現標志著太赫茲具有取代光纖實現“最后一公里”無線傳輸的應用潛力。

圖1 NTT實驗室的0.12、0.3 THz通信系統

2012年中國工程物理研究院王成等實現了工作頻率0.34 THz的太赫茲無線通信系統、傳輸速度為3 Gb/s，傳輸距離可達50 m。利用該系統同時進行了IEEE802.11協議下的WLAN通信實驗。目前中國工程物理研究院正在開展TMIC芯片技術研究，該芯片工作頻率為0.14～0.34 THz。中科院微系統與信息技術研究所在4.1 THz基于QCL和QWP先后開展了數據文件傳輸實驗，系統構成實驗和1 Mbps傳輸實驗，傳輸距離可達到2.2 m[31]。2016年，浙江大學余顯斌采用光電方式實驗演示了300～500 GHz頻段160 Gbit/s的超高速率無線數據傳輸，這是在300 GHz以上太赫茲頻段首次成功展示了太赫茲頻段大于100 Gbit/s超高速無線通信的潛力。研究團隊采用相干光學頻梳和光學本振在300～500 GHz頻段產生了8個信道，每個信道速率20 Gbit/s，總速率達到160 Gbit/s[32]。

4 結束語

太赫茲波以其獨有的特性，使太赫茲波通信比微波和光通信擁有許多優勢，決定了太赫茲波在高速短距離無線通信、寬帶無線安全接入、寬帶通信、高速信息網、空間通信、軍事保密通信等方面均有廣闊的應用前景。本文簡要總結了相關研究領域的潛在應用，可以預期在不久的將來會誕生太赫茲探測和通信的商業應用。我國必須合理規劃太赫茲技術的發展路線，大力發展自主知識產權的太赫茲關鍵器件，另一方面提升太赫茲探測和通信系統的集成程度，這樣的太赫茲系統既具有高速性能，又具有室溫工作、小巧和易于集成等優勢，將大幅提升我國在相關領域的技術水平。

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Recent Developments of Terahertz Detection and Communications Technologies

CHEN Shi,HU Wei-dong

(Beijing Key Laboratory of Millimeter Wave and Terahertz Techniques,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

This paper reviews the state-of-the-art in terahertz (THz) technologies,and summarizes several important future directions mainly based on worldwide development trends. It focuses on several key THz technologies,including THz source,THz transmission and THz detection. Several promising THz application areas are also discussed,such as astronomy,nondestructive test,life sciences,safety and high-speed communication. Based on the given summary,certain prospective research directions in the field are identified.

Terahertz wave;Terahertz detection;Terahertz communications;Terahertz source;Terahertz transmission

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.01

陳實，胡偉東. 太赫茲探測與通信技術新進展[J].無線電通信技術,2017,43(4):01-05.

[CHEN Shi,HU Weidong. Recent Developments of Terahertz Detection and Communications Technologies[J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):01-05.]

2017-04-25

國家自然科學基金重大科研儀器研制項目(61527805)；國家自然科學基金創新研究群體(61421001)；教育部高等學校創新引智計劃項目(B14010)

陳 實(1989—)，男，博士，主要研究方向：太赫茲測云雷達。胡偉東(1975—)，男，博士生導師，教授，主要研究方向：太赫茲遙感技術，承擔國家自然科學基金重大科學儀器項目(61527805)、國家自然基金創新研究群體項目(61421001)，獲得高等學校創新引智計劃項目資助(B14010)，主持“十二五”民用航天太赫茲成像重大項目，目前已有三項成果通過部級鑒定，填補國內空白，獲國防科學技術進步獎一項。

TN91

A

1003-3114(2017)04-01-5