東南大學(xué)洪偉教授評述：毫米波與太赫茲技術(shù)

東南大學(xué)洪偉教授評述：毫米波與太赫茲技術(shù)今日推薦文章為東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任、IEEEFellow著名毫米波專家洪偉教授，本文選自《毫米波與太赫茲技術(shù)》，發(fā)表于《中國科學(xué):信息科學(xué)》2016年第46卷第8期——《信息科學(xué)與技術(shù)若干前沿問題評述?？?。本文概要介紹了毫米波與太赫茲技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并根據(jù)國內(nèi)外發(fā)展趨勢梳理歸納了今后的一些重要發(fā)展方向。在毫米波技術(shù)方面，重點(diǎn)介紹了近年來毫米波芯片的研究現(xiàn)狀與新進(jìn)展,，同時(shí)也介紹了一些熱點(diǎn)毫米波系統(tǒng)應(yīng)用，如毫米波通信、毫米波成像、毫米波雷達(dá)等。相對于毫米波頻段,太赫茲頻譜的利用還處在探索階段，本文重點(diǎn)對太赫茲的一些關(guān)鍵技術(shù)作了概要介紹，包括太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲檢測、太赫茲元器件等。簡要介紹了太赫茲在天文學(xué)、無損檢測、生命科學(xué)、安全、高速通信等領(lǐng)域的一些應(yīng)用。引言隨著對電磁波譜的不斷探索,人類對電子學(xué)和光學(xué)獲得了充分的認(rèn)識(shí),并且通過對電子學(xué)和光學(xué)的研究,研發(fā)了各種器件,形成了兩大較為成熟的研究和應(yīng)用技術(shù).一是微波毫米波技術(shù),在雷達(dá)、射電天文、通信、成像、導(dǎo)航等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,另一個(gè)是光學(xué)技術(shù),其應(yīng)用已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?然而毫米波和光頻段之間,還存在著豐富的未被充分開發(fā)的頻譜資源,也就是太赫茲頻段.傳統(tǒng)上,微波頻段定義為300MHz-26.5GHz,毫米波頻段為26.5-300GHz,而太赫茲頻段為300-10000GHz(10THz).現(xiàn)在比較流行的一種說法是,0.3-30GHz為微波頻段,30-300GHz為毫米波頻段,也有人將0.1-10THz稱作太赫茲頻段，如圖所示.?由于毫米波器件的成本較高,之前主要應(yīng)用于軍事.然而隨著高速寬帶無線通信、汽車輔助駕駛、安檢、醫(yī)學(xué)檢測等應(yīng)用領(lǐng)域的快速發(fā)展,近年來毫米波在民用領(lǐng)域也得到了廣泛的研究和應(yīng)用.目前,6GHz以下的黃金通信頻段,已經(jīng)很難得到較寬的連續(xù)頻譜,嚴(yán)重制約了通信產(chǎn)業(yè)的發(fā)展.相比之下,毫米波頻段卻仍有大量潛在的未被充分利用的頻譜資源.因此,毫米波成為第5代移動(dòng)通信的研究熱點(diǎn).2015年在WRC2015大會(huì)上確定了第5代移動(dòng)通信研究備選頻段:24.25-27.5GHz、37-40.5GHz、42.5-43.5GHz、45.5-47GHz、47.2-50.2GHz、50.4-52.6GHz、66-76GHz和81-86GHz,其中31.8-33.4GHz、40.5-42.5GHz和47-47.2GHz在滿足特定使用條件下允許作為增選頻段.各種毫米波的器件、芯片以及應(yīng)用都在如火如荼的開發(fā)著.相對于微波頻段,毫米波有其自身的特點(diǎn).首先,毫米波具有更短的工作波長,可以有效減小器件及系統(tǒng)的尺寸;其次,毫米波有著豐富的頻譜資源,可以勝任未來超高速通信的需求.此外,由于波長短,毫米波用在雷達(dá)、成像等方面有著更高的分辨率.到目前為止,人們對毫米波已開展了大量的研究,各種毫米波系統(tǒng)已得到廣泛的應(yīng)用.隨著第5代移動(dòng)通信、汽車自動(dòng)駕駛、安檢等民用技術(shù)的快速發(fā)展,毫米波將被廣泛應(yīng)用于人們?nèi)粘Ｉ畹姆椒矫婷?太赫茲研究主要集中在0.1-10THz頻段.這是一個(gè)覆蓋很廣泛并且很特殊的一個(gè)頻譜區(qū)域.起初,這一頻段被稱為“THzGap(太赫茲鴻溝)”，原因是這一頻段夾在兩個(gè)發(fā)展相對成熟的頻,即電子學(xué)頻譜和光學(xué)頻譜之間.其低頻段與電子學(xué)領(lǐng)域的毫米波頻段有重疊,高頻段與光學(xué)領(lǐng)域的遠(yuǎn)紅外頻段(波長0.03-1.0mm)有重疊.由于這一領(lǐng)域的特殊性,形成了早期研究的空白區(qū).但隨著研究的開展,太赫茲頻譜與技術(shù)對物理、化學(xué)、生物、電子、射電天文等領(lǐng)域的重要性逐漸顯現(xiàn),其應(yīng)用也開始滲透到社會(huì)經(jīng)濟(jì)以及國家安全的很多方面,如生物成像、THz波譜快速檢測、高速通信、穿墻雷達(dá)等.太赫茲之所以具有良好的應(yīng)用前景,主要得益于其光譜分辨力、安全性、透視性、瞬態(tài)性和寬帶等特性.例如:自然界中許多生物大分子的振動(dòng)和旋轉(zhuǎn)頻率都處在太赫茲頻段,這對檢測生物信息提供了一種有效的手段;太赫茲頻段光子能量較低,不會(huì)對探測體造成損壞,可以實(shí)現(xiàn)無損檢測;太赫茲波對介質(zhì)材料有著良好的穿透能力,從而可作為探測隱蔽物體的手段;太赫茲脈沖的典型脈寬在皮秒量級,可以得到高信噪比的太赫茲時(shí)域譜,易于對各種材料進(jìn)行光譜分析;此外,太赫茲頻段的帶寬很寬,從0.1-10THz可為超高速通信提供豐富的頻譜資源.針對近些年毫米波及太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展,分別對毫米波及太赫茲技術(shù)與應(yīng)用做了歸納總結(jié).在毫米波技術(shù)方面,結(jié)合目前一些熱門的毫米波頻段的系統(tǒng)應(yīng)用,如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷達(dá)等,對毫米波芯片發(fā)展做了重點(diǎn)介紹.在太赫茲技術(shù)方面,介紹了太赫茲波產(chǎn)生技術(shù)、太赫茲波傳輸技術(shù)和太赫茲波檢測技術(shù)的研究進(jìn)展,并在對其關(guān)鍵部件進(jìn)行介紹的同時(shí),對太赫茲領(lǐng)域的典型應(yīng)用做了相應(yīng)的介紹,主要包括太赫茲生物應(yīng)用、醫(yī)學(xué)應(yīng)用、成像應(yīng)用、大氣科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、通信技術(shù)和國家安全等.最后對未來毫米波以及太赫茲領(lǐng)域的發(fā)展做了展望,并指出了一些今后值得重點(diǎn)研究的方向.毫米波技術(shù)1、毫米波芯片傳統(tǒng)的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導(dǎo)體工藝,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)等,其在毫米波頻段具有良好的性能,是該頻段的主流集成電路工藝.另一方面,近十幾年來硅基(CMOS、SiGe等)毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進(jìn)展.此外,基于氮化鎵(GaN)工藝的大功率高頻器件也迅速拓展至毫米波頻段.下面將分別進(jìn)行介紹.1.1GaAs和InP毫米波芯片近十幾年來,GaAs和InP工藝和器件得到了長足的進(jìn)步.基于該類工藝的毫米波器件類型主要有高電子遷移率晶體管(HEMT)、改性高電子遷移率晶體管(mHEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管(HBT)等.目前GaAs、mHEMT、InP、HEMT和InPHBT的截止頻率(ft)均超過500GHz,最大振蕩頻率(fmax)均超過1THz.2015年美國NorthropGrumman公司報(bào)道了工作于0.85THz的InPHEMT放大器，2013年美國Teledyne公司與加州理工大學(xué)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了工作至0.67THz的InPHBT放大器,2012年和2014年德國弗朗霍夫應(yīng)用固體物理研究所報(bào)道了工作頻率超過0.6THz的mHEMT放大器。1.2GaN毫米波芯片GaN作為第3代寬禁帶化合物半導(dǎo)體,具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),器件功率密度是GaAs功率密度的5倍以上,可顯著地提升輸出功率,減小體積和成本.隨著20世紀(jì)90年代GaN材料制備技術(shù)的逐漸成熟,GaN器件和電路已成為化合物半導(dǎo)體電路研制領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向,美國、日本、歐洲等國家將GaN作為微波毫米波器件和電路的發(fā)展重點(diǎn).近十年來,GaN的低成本襯底材料碳化硅(SiC)也逐漸成熟,其晶格結(jié)構(gòu)與GaN相匹配，導(dǎo)熱性好，大大加快了GaN器件和電路的發(fā)展.近年來GaN功率器件在毫米波領(lǐng)域飛速發(fā)展,日本Eudyna公司報(bào)道了0.15m柵長的器件,在30GHz功率輸出密度達(dá)13.7W/mm.美國HRL報(bào)道了多款E波段、W波段與G波段的GaN基器件,W波段功率密度超過2W/mm,在180GHz上功率密度達(dá)到296mW/mm.國內(nèi)在微波頻段的GaN功率器件已基本成熟，到W波段的GaN功率器件也取得進(jìn)展.南京電子器件研究所研制的Ka波段GaN功率MMIC在3436GHz頻帶內(nèi)脈沖輸出功率達(dá)到15W,附加效率30%,功率增益大于20dB。1.3硅基毫米波芯片硅基工藝傳統(tǒng)上以數(shù)字電路應(yīng)用為主.隨著深亞微米和納米工藝的不斷發(fā)展,硅基工藝特征尺寸不斷減小,柵長的縮短彌補(bǔ)了電子遷移率的不足,從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高,這使得硅工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應(yīng)用成為可能.國際半導(dǎo)體藍(lán)圖協(xié)會(huì)(InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors)預(yù)測到2030年CMOS工藝的特征尺寸將減小到5nm,而截止頻率ft將超過700GHz.德國IHP研究所的SiGe工藝晶體管的截止頻率ft和最大振蕩頻率fmax都已經(jīng)分別達(dá)到了300GHz和500GHz，相應(yīng)的硅基工藝電路工作頻率可擴(kuò)展到200GHz以上。由于硅工藝在成本和集成度方面的巨大優(yōu)勢,硅基毫米波亞毫米波集成電路的研究已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一.美國佛羅里達(dá)大學(xué)設(shè)計(jì)了410GHzCMOS振蕩器，加拿大多倫多大學(xué)研制了基于SiGeHBT工藝的170GHz放大器、160GHz混頻器和基于CMOS工藝的140GHz變頻器，美國加州大學(xué)圣芭芭拉分校等基于CMOS工藝研制了150GHz放大器等，美國康奈爾大學(xué)基于CMOS工藝研制了480GHz倍頻器.在系統(tǒng)集成方面,加拿大多倫多大學(xué)設(shè)計(jì)了140GHzCMOS接收機(jī)芯片和165GHzSiGe的片上收發(fā)系統(tǒng),美國加州大學(xué)柏克萊分校首次將60GHz頻段硅基模擬收發(fā)電路與數(shù)字基帶處理電路集成在一塊CMOS芯片上，新加坡微電子研究院也實(shí)現(xiàn)了包括在片天線的60GHzCMOS收發(fā)信機(jī)芯片，美國加州大學(xué)洛杉磯分校報(bào)道了0.54THz的頻率綜合器,德國烏帕塔爾綜合大學(xué)研制了820GHz硅基SiGe有源成像系統(tǒng),加州大學(xué)伯克利分校采用SiGe工藝成功研制了380GHz的雷達(dá)系統(tǒng)。日本NICT等基于CMOS工藝實(shí)現(xiàn)了300GHz的收發(fā)芯片并實(shí)現(xiàn)了超過10Gbps的傳輸速率,但由于沒有功率放大和低噪聲電路,其傳輸距離非常短.通過采用硅基技術(shù),包含數(shù)字電路在內(nèi)的所有電路均可集成在單一芯片上,因此有望大幅度降低毫米波通信系統(tǒng)的成本.在毫米波亞毫米波硅基集成電路方面我國大陸起步稍晚,但在國家973計(jì)劃、863計(jì)劃和自然科學(xué)基金等的支持下,已快速開展研究并取得進(jìn)展.東南大學(xué)毫米波國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基于90nmCMOS工藝成功設(shè)計(jì)了Q、V和W頻段放大器、混頻器、VCO等器件和W波段接收機(jī)、Q波段多通道收發(fā)信機(jī)等,以及到200GHz的CMOS倍頻器和到520GHz的SiGe振蕩器等。2、毫米波電真空器件毫米波集成電路具有體積小、成本低等很多優(yōu)點(diǎn)，但功率受限.為了獲得更高的輸出功率，可以采用電真空器件,如加拿大CPI公司研制的速調(diào)管(Klystron)在W波段上獲得了超過2000W的脈沖輸出功率,北京真空電子研究所研制的行波管(TWT)放大器在W波段的脈沖輸出功率超過了100W，電子科技大學(xué)在W波段上也成功設(shè)計(jì)了TWT功率放大器,中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院研制的迴旋管(Gyrotron)在140GHz上獲得了0.9MW的脈沖輸出功率，與國外水平相當(dāng)。3、毫米波應(yīng)用近年來,毫米波器件性能的不斷提高,成本的不斷降低,有力促進(jìn)了毫米波在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用.目前基于毫米波頻段的應(yīng)用主要體現(xiàn)在毫米波通信、毫米波成像及毫米波雷達(dá)等方面.3.1毫米波通信隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,6GHz以下黃金通信頻段的頻譜已經(jīng)非常擁擠,很難滿足未來無線高速通信的需求.然而,與此相反的是,在毫米波頻段,頻譜資源豐富但仍然沒有得到充分的開發(fā)利用.在移動(dòng)通信方面，探索了毫米波移動(dòng)通信系統(tǒng)場景、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及空中接口.在目前開展的第5代移動(dòng)通信(5G)研究中,幾個(gè)毫米波頻段已經(jīng)成為5G候選頻段。毫米波技術(shù)將會(huì)在5G的發(fā)展中起著舉足輕重的作用.在短距高速通信系統(tǒng)中,60GHz頻段得到了廣泛地研究和應(yīng)用.歐洲、美國、加拿大、韓國、日本、澳大利亞以及我國陸續(xù)開放了這一頻段的免費(fèi)頻譜資源.60GHz頻段處于大氣衰減峰,雖然不適合遠(yuǎn)距通信,但可用于短距離傳輸,且不會(huì)對周圍造成太多干擾.近年來,在60GHz頻段已發(fā)展了高速Gbps通信、WirelessHD、WiGig、近場通訊、IEEE802.11ad、IEEE802.15.3c等各種系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)。國內(nèi)東南大學(xué)提出了工作在45GHz頻段的超高速近遠(yuǎn)程無線傳輸標(biāo)準(zhǔn)(Q-LINKPAN)，其短距部分已成為IEEE802.11aj國際標(biāo)準(zhǔn)。45GHz頻段的大氣衰減小于1dB/km,因此不僅可以像60GHz頻段一樣實(shí)現(xiàn)高速短距傳輸,同時(shí)也適用于遠(yuǎn)距傳輸.目前實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在82m的傳輸距離上已實(shí)現(xiàn)2Gbps的傳輸速率,并研制了相應(yīng)的支持Gbps傳輸?shù)暮撩撞ㄐ酒?。衛(wèi)星通信覆蓋范圍廣，是保障偏遠(yuǎn)地區(qū)和海上通信以及應(yīng)急通信的重要手段，目前其工作頻段主要集中在L、S、C、Ku及Ka波段.隨著衛(wèi)星通信研究的不斷深入，已在嘗試更高頻段.因?yàn)楹撩撞l段可以提供更寬的帶寬,因而可實(shí)現(xiàn)更高的通信速率.此外,低功耗、小體積、抗干擾以及較高的空間分辨率都是其值得利用的特點(diǎn).目前衛(wèi)星與地面通信的主要研究方向集中在兩個(gè)大氣衰減較小的窗口，Q頻段和W頻段，而60GHz頻段被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)星間通信的重要頻段.此外,毫米波光載無線通信(RoF)系統(tǒng)也得到了迅速的發(fā)展.光纖具有成本低、信道帶寬大、損耗小、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中不可或缺的部分.正如上文提到的,毫米波具有傳輸容量大、體積小等優(yōu)點(diǎn),但也有空間傳輸損耗大等缺點(diǎn).毫米波RoF系統(tǒng)結(jié)合了毫米波和光纖通信的優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)寬帶毫米波通信遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠行侄?自從1990年光載無線通信的概念被提出之后，這個(gè)領(lǐng)域目前在毫米波頻段成為了研究熱點(diǎn)，很多研究小組在不同的毫米波頻段進(jìn)行了研究,比如60GHz、75-110GHz、120GHz、220GHz、250GHz等.3.2毫米波成像利用毫米波穿透性、安全性等優(yōu)點(diǎn),毫米波成像可有效地對被檢測物體進(jìn)行成像,在國家安全、機(jī)場安檢、大氣遙感等方面得到了廣泛的研究,根據(jù)成像機(jī)理分為被動(dòng)式成像和主動(dòng)式成像.毫米波被動(dòng)式成像是通過探測被測物自身的輻射能量,并分辨不同物質(zhì)輻射強(qiáng)度的差異來實(shí)現(xiàn)成像.被動(dòng)式成像從機(jī)理上看是一種安全的成像方式,不會(huì)對環(huán)境造成電磁干擾,但對信號(hào)本身的強(qiáng)度以及接收機(jī)的靈敏度要求較高。國內(nèi)外對毫米波被動(dòng)式成像技術(shù)已開展了大量的研究。毫米波主動(dòng)式成像主要是通過毫米波源發(fā)射一定強(qiáng)度的毫米波信號(hào),通過接收被測物的反射波，檢測被測目標(biāo)與環(huán)境的差異，然后進(jìn)行反演成像.主動(dòng)式成像系統(tǒng)可以對包括塑料等非金屬物體進(jìn)行檢測,其受環(huán)境影響較小,獲得的信息量大,可以有效地進(jìn)行三維成像.常用的主動(dòng)式成像系統(tǒng)主要包括焦平面成像以及合成孔徑成像。毫米波成像系統(tǒng)已應(yīng)用于國內(nèi)外許多機(jī)場的安檢.國內(nèi)上海微系統(tǒng)所孫曉瑋團(tuán)隊(duì)研發(fā)成功了毫米波成像安檢系統(tǒng),電子科技大學(xué)樊勇團(tuán)隊(duì)研制成功了毫米波動(dòng)態(tài)成像系統(tǒng)。3.3毫米波雷達(dá)毫米波雷達(dá)具有頻帶寬、波長短、波束窄、體積小、功耗低和穿透性強(qiáng)等特點(diǎn).相比于激光紅外探測,其穿透性強(qiáng)的特點(diǎn)可以保證雷達(dá)能夠工作在霧雨雪以及沙塵環(huán)境中，受天氣的影響較小。相比于微波波段的雷達(dá)，利用毫米波波長短的特點(diǎn)可以有效減小系統(tǒng)體積和重量，并提高分辨率.這些特點(diǎn)使得毫米波雷達(dá)在汽車防撞、直升機(jī)避障、云探測、導(dǎo)彈導(dǎo)引等方面具有重要的應(yīng)用.微波毫米波汽車防撞雷達(dá)主要集中在24GHz和77GHz頻段上,是未來智能駕駛或自動(dòng)駕駛的核心技術(shù)之一.在直升機(jī)毫米波防撞雷達(dá)的研究上,人們特別關(guān)注毫米波雷達(dá)對電力線等的探測效果。毫米波在大氣遙感方面也有很重要的應(yīng)用，其中代表性的有毫米波云雷達(dá).毫米波云雷達(dá)主要針對降水云進(jìn)行探測,，用于探測云內(nèi)部宏觀和微觀參數(shù),，反映大氣熱力及動(dòng)力過程.由于毫米波波長短，在云探測中表現(xiàn)出很高的測量精度和分辨率,具有穿透含水較多的厚云層等優(yōu)勢。南京信息工程大學(xué)葛俊祥團(tuán)隊(duì)研制了W波段云雷達(dá),北京理工大學(xué)呂昕團(tuán)隊(duì)正在研制94/340GHz雙頻段云雷達(dá).除了民用,毫米波雷達(dá)在軍事方面也有著非常重要的應(yīng)用,比如在精確制導(dǎo)武器中,毫米波雷達(dá)導(dǎo)引是一項(xiàng)核心技術(shù),是全天候?qū)嵤┠繕?biāo)精確打擊的一種有效手段。太赫茲技術(shù)相對于毫米波技術(shù),太赫茲技術(shù)的研究還處在探索階段。太赫茲技術(shù)主要包括太赫茲波源、太赫茲傳輸和太赫茲檢測等，其關(guān)鍵部件可以分為無源元件和有源器件.無源元件包括太赫茲傳輸線、濾波器、耦合器、天線等,而有源器件包括太赫茲混頻器、倍頻器、檢波器、放大器、振蕩器等。1、太赫茲源伴隨著太赫茲波生成技術(shù)的發(fā)展,太赫茲源的研究已有很多有價(jià)值的新進(jìn)展.研發(fā)低成本、高功率、室溫穩(wěn)定的太赫茲源是發(fā)展太赫茲技術(shù)的基礎(chǔ).太赫茲源的分類多種多樣,按照產(chǎn)生機(jī)理,可以分為基于光學(xué)效應(yīng)和基于電子學(xué)的太赫茲源。按照源類型可以分成3類:非相干熱輻射源、寬帶太赫茲輻射源以及窄帶太赫茲連續(xù)波源。1.1非相干熱輻射源非相干熱輻射源在熱平衡的情況下將熱能轉(zhuǎn)換為光能,產(chǎn)生連續(xù)的光譜。主要例子如日常生活中的太陽,以及白熾燈.由于其產(chǎn)生的太赫茲波功率很低,應(yīng)用前景較為局限.1.2寬帶太赫茲輻射源寬帶太赫茲輻射源目前主要應(yīng)用于光譜系統(tǒng),主要由周期為幾十到幾百個(gè)飛秒的脈沖產(chǎn)生，在頻譜上包含高達(dá)幾十太赫茲的超寬頻譜分量.產(chǎn)生方法包括：a)光導(dǎo)天線：光導(dǎo)天線進(jìn)行太赫茲輻射的主要機(jī)理是光導(dǎo)天線在光脈沖的照射下產(chǎn)生載流子,并在電場作用下加速運(yùn)動(dòng),在表面產(chǎn)生瞬態(tài)電流,進(jìn)而輻射太赫茲電磁波，其特點(diǎn)是具有較高的輸出能量.近年來,國內(nèi)外開展了很多關(guān)于光導(dǎo)天線產(chǎn)生寬帶太赫茲波的研究。b)光整流法:光整流法是利用非線性的光整流效應(yīng),使兩個(gè)光束或者一個(gè)高強(qiáng)度的單色光束在介質(zhì)中傳播時(shí)產(chǎn)生差頻或和頻振蕩，其特點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)太赫茲超寬帶輸出,但是輸出能量相對不高.基于此原理,太赫茲輻射源得到了長足的發(fā)展。c)空氣等離子法:空氣等離子法的原理是利用激光聚焦擊穿空氣產(chǎn)生太赫茲輻射。d)半導(dǎo)體表面:基于半導(dǎo)體表面的太赫茲輻射源的基本工作原理可以總結(jié)成表面電場效應(yīng)和光生丹培效應(yīng).對于某些寬帶隙的半導(dǎo)體材料,其表面存在表面態(tài),由于表面和內(nèi)部的費(fèi)米能級不一致,會(huì)形成表面電場.在這個(gè)電場作用下,被激光激發(fā)的載流子會(huì)形成瞬態(tài)電流,從而形成太赫茲輻射.對于某些窄帶隙半導(dǎo)體材料,由于其吸收系數(shù)很大,大量的載流子會(huì)在半導(dǎo)體表面形成,其中的電子和空穴在向半導(dǎo)體內(nèi)擴(kuò)散的時(shí)候使正負(fù)電荷在空間中分離,形成光生丹培電場,輻射太赫茲波.這種方式的特點(diǎn)是簡單易操作,但輻射功率較低。1.3窄帶太赫茲連續(xù)波源窄帶太赫茲輻射源的目標(biāo)是產(chǎn)生連續(xù)的線寬很窄的太赫茲波.常用的方法包括:a)利用電子學(xué)器件設(shè)計(jì)振蕩器,尤其是以亞毫米波振蕩器為基礎(chǔ),提高振蕩器的工作頻率,以設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)適合太赫茲頻段的振蕩器.由于這一特點(diǎn),目前報(bào)道的太赫茲源的工作頻率主要集中在較低的太赫茲頻段。但是,在此基礎(chǔ)上利用倍頻鏈已獲得了1THz左右甚至更高頻率的太赫茲波。b)太赫茲量子級聯(lián)激光器(THz-QCL)作為相干光源的一種，是基于導(dǎo)帶子帶電子能態(tài)間躍遷和聲子共振輔助隧穿實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn).隨著量子級聯(lián)激光器的迅速發(fā)展,可以用來研究微小尺度的物質(zhì)運(yùn)動(dòng),比如電子微觀輸運(yùn),納米光子學(xué)等。同時(shí)由于其結(jié)構(gòu)緊湊,使之在很多領(lǐng)域具有很高的應(yīng)用價(jià)值,如天體物理和大氣科學(xué)、空間通訊、精密光譜測量、安檢領(lǐng)域和太赫茲成像等。c)自由電子激光器是將在磁場中運(yùn)動(dòng)的相對論電子束的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為光子能量,從而產(chǎn)生激光,其特點(diǎn)是具有高能量和高相干性.由于其連續(xù)性,輻射波長可以調(diào)諧到任何波長,非常適合用作太赫茲輻射源,但自由電子激光器的缺點(diǎn)是功耗高、體積大和費(fèi)用昂貴,因此自由電子激光器基本上用在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中。d)光泵太赫茲激光器:太赫茲頻段符合許多極性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級,光泵太赫茲激光器使這些極性分子的轉(zhuǎn)動(dòng)能級間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn),從而產(chǎn)生太赫茲輻射.國內(nèi)外相關(guān)工作中,常用的氣體有CH3F、NH3、D2O、CH3OH等。e)差頻太赫茲輻射源:差頻太赫茲輻射源主要利用非線性晶體的差頻效應(yīng)來產(chǎn)生相干窄帶的太赫茲輻射.這種方法中,需要兩束不同波長的激光,即頻率不同,以一定角度泵浦非線性晶體,例如GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3以及有機(jī)晶體DAST等.太赫茲波的頻率取決于泵浦光波長,可以方便進(jìn)行調(diào)諧。f)光參量法:光參量法是利用一束泵浦光入射晶體,激發(fā)出斯托克斯光和電磁耦子.在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下,電磁耦子發(fā)生受激拉曼散射,實(shí)現(xiàn)太赫茲輻射。2、太赫茲傳輸由于太赫茲波在空氣中的損耗較大,所以其傳輸結(jié)構(gòu)是一個(gè)不可或缺的部分。對不同傳輸結(jié)構(gòu)的損耗和色散特性的研究，逐漸成為了太赫茲領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).。各國科研人員都在努力尋找低損耗、低色散、高功率容量的太赫茲傳輸結(jié)構(gòu)，也就是尋找適合傳輸太赫茲波的材料和結(jié)構(gòu)。就研究方法而言,主要是根據(jù)太赫茲頻段在波譜中夾在毫米波頻段和光學(xué)頻段之間這一特性，人們試圖將在這些頻段成熟的傳輸材料進(jìn)行改進(jìn)應(yīng)用到太赫茲頻段,這些嘗試包括金屬圓波導(dǎo)、平行平面金屬波導(dǎo)、金屬線波導(dǎo)、帶有金屬涂層的介質(zhì)波導(dǎo)、全介質(zhì)波導(dǎo)、亞波長周期孔陣列、橢圓形空心光纖包層的微結(jié)構(gòu)光纖、雙線傳輸結(jié)構(gòu)、光子晶體等.如上所述，太赫茲頻段的傳輸結(jié)構(gòu)有很多選擇,需要針對不同的需求選擇合適的導(dǎo)波結(jié)構(gòu).同時(shí)仍需要尋找更低損耗和色散的太赫茲傳輸線材料和結(jié)構(gòu)。3、太赫茲檢測類似于太赫茲源,其檢測方式可以分為非相干檢測和相干檢測.3.1非相干檢測非相干檢測,即直接檢測,是指利用檢波器將檢波信號(hào)直接轉(zhuǎn)化為電流或電壓信號(hào),得到被測信號(hào)的幅度信息.這種檢測方式結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)態(tài)范圍寬,適合于對毫米波、遠(yuǎn)紅外線、可見光等頻段的檢測.它的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)是可采用大規(guī)模檢波陣列進(jìn)行檢測.然而,由于其相位信息的缺失,它難以實(shí)現(xiàn)超高分辨率.用于直接檢測的檢波器一般分為非制冷型檢波器和制冷型檢波器.非制冷型檢波一般工作于室溫環(huán)境,具有中等的靈敏度和較長的響應(yīng)時(shí)間。制冷型檢波器由于其工作溫度很低,可以獲得很高的靈敏度和較快的反應(yīng)時(shí)間。3.2相干檢測不同于非相干檢測,相干檢測通常采用類似于傳統(tǒng)通信系統(tǒng)中的超外差結(jié)構(gòu)，先將太赫茲信號(hào)變換到較低的微波毫米波頻段，再采用傳統(tǒng)的方式提取信號(hào)的幅度和相位.由于采用了變頻方式，相干檢測系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要混頻器等關(guān)鍵元器件，同時(shí)對混頻器以及太赫茲本振源提出了較高的要求，比如較高的輸出功率和較低的噪聲等.值得一提的是,由于可檢測到相位信息，可以獲得較高的分辨率.此外,還可進(jìn)行信號(hào)放大，從而可獲得較高的靈敏度.這種技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種高分辨率、高靈敏度的探測場景,比如深空探測等。國內(nèi)紫金山天文臺(tái)史生才團(tuán)隊(duì)在500GHz和800GHz頻段已成功研制了超導(dǎo)混頻器,并應(yīng)用于射電天文探測。3.3檢波器常用的一些檢波器包括a)肖特基管檢波器：肖特基管不僅可應(yīng)用于直接檢波,還可作為非線性器件用于超外差接收機(jī)。應(yīng)用在直接檢波時(shí),具有高效率、低成本以及高集成度等優(yōu)點(diǎn);應(yīng)用于混頻接收機(jī)系統(tǒng)中,可以獲得高分辨率和高靈敏度.b)熱電探測器：熱電探測器是利用光輻射與物質(zhì)之間的熱敏效應(yīng)這一特性而設(shè)計(jì)的器件,曾被廣泛用于遠(yuǎn)紅外線探測,現(xiàn)已逐步用于太赫茲領(lǐng)域。c)半導(dǎo)體測輻射熱計(jì):測輻射熱計(jì)一般采用高靈敏度的熱敏電阻對照射在探測器的熱輻射所產(chǎn)生的相應(yīng)電阻值變化進(jìn)行檢測,以獲得太赫茲波的功率,一般可探測的頻率范圍為幾十個(gè)GHz到幾十個(gè)THz.經(jīng)典的測輻射熱計(jì)含有重?fù)诫s半導(dǎo)體。d)半導(dǎo)體熱電子測輻射熱計(jì):通過半導(dǎo)體或超導(dǎo)體中的電子與晶格相互作用來實(shí)現(xiàn)測輻射熱計(jì)的高熱傳導(dǎo)性和小熱容量,從而使之適合于太赫茲領(lǐng)域.在半導(dǎo)體熱電子測輻射熱計(jì)中,其半導(dǎo)體中的非平衡態(tài)電子被稱為熱電子。不同于一般的測輻射熱計(jì)先讓晶格吸收功率再將能量傳輸給自由載流子,在這種測輻射熱計(jì)中,入射的輻射能量被自由載流子直接吸收,所以晶格溫度保持不變。e)超導(dǎo)熱電子測輻射熱計(jì)：為了進(jìn)一步提高半導(dǎo)體熱電子測輻射熱計(jì)的靈敏度,該檢波器是通過引入介質(zhì)基片上的NbN、NbTiN或Nb等構(gòu)成的超導(dǎo)微橋而實(shí)現(xiàn).按照熱電子測輻射熱計(jì)可以分為兩類:一種是聲子冷卻熱電子測輻射熱計(jì)；另一種是擴(kuò)散冷卻熱電子測輻射熱計(jì)。f)場效應(yīng)晶體管檢波器:CMOS工藝由于其較低的成本和高集成度,受到國內(nèi)外研究人員的廣泛關(guān)注.近些年,基于CMOS工藝的太赫茲檢波技術(shù)取得了顯著進(jìn)展.早期的一些研究中已將場效應(yīng)晶體管應(yīng)用于太赫茲檢波中，而近期的一些研究中已逐步發(fā)展到檢波陣列并且集成在THzCMOS單芯片中。g)超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器(TES)：超導(dǎo)轉(zhuǎn)變邊緣傳感器利用電流加熱超導(dǎo)薄膜到超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，是一種超導(dǎo)非相干檢波技術(shù).當(dāng)檢測太赫茲輻射時(shí),超導(dǎo)薄膜可以吸收太赫茲光子,使溫度上升,進(jìn)而使電阻明顯升高.這將減少流過超導(dǎo)薄膜的電流,進(jìn)而降低溫度,逐步回到原來穩(wěn)定的狀態(tài).這個(gè)過程稱為電-熱反饋,在這個(gè)過程中可利用高靈敏的電流計(jì)讀出電流變化.目前最大規(guī)模的TES檢測器陣列應(yīng)用是安裝在美國的JCMT望遠(yuǎn)鏡上的SCUBA2探測器陣列。4、太赫茲元器件隨著太赫茲技術(shù)的快速發(fā)展,各國研究人員對太赫茲元器件開展了大量研究,包括太赫茲無源元件,如太赫茲濾波器、太赫茲天線、太赫茲耦合器,以及太赫茲有源器件,如太赫茲變頻器、太赫茲倍頻器等.4.1太赫茲濾波器太赫茲頻段具有極寬的可用物理帶寬.在不同應(yīng)用場合,需要使用濾波器等無源結(jié)構(gòu)對太赫茲的頻率進(jìn)行選擇.目前報(bào)道的太赫茲濾波器有頻率選擇表面(FSS)、微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)濾波器、波導(dǎo)腔體濾波器、MMIC濾波器、CMOS和SiGe濾波器等.另外,還有一些太赫茲濾波器是基于二維光子晶體、超材料、表面等離子體等結(jié)構(gòu).a)FSS空間濾波器在低頻段的研究己經(jīng)相當(dāng)成熟,而關(guān)于太赫茲頻段FSS的研究并不多，只有很少的報(bào)道.設(shè)計(jì)FSS的主要方法有多諧振單元、多層結(jié)構(gòu)方法、微擾法和基因算法等.頻率選擇表面采用周期性結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)頻率選擇，已廣泛應(yīng)用于微波毫米波和準(zhǔn)光系統(tǒng).b)基于MEMS的太赫茲腔體濾波器與波導(dǎo)腔體濾波器相似，均采用腔體結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn),前者使用體硅蝕刻工藝在硅上刻蝕濾波器圖形,然后在硅表面濺射金等實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)腔體特性,而后者直接在金屬上使用高精密數(shù)控機(jī)械加工技術(shù)銑出濾波器圖形。為了避免昂貴且困難的深硅刻蝕,利用MEMS的高加工精度可以在硅襯底表面刻蝕出周期性溝槽結(jié)構(gòu),從而可以實(shí)現(xiàn)高選擇特性的太赫茲低通濾波器。c)光子晶體太赫茲濾波器是在光子晶體結(jié)構(gòu)中通過引入缺陷實(shí)現(xiàn)太赫茲濾波器。d)激光照射量子阱結(jié)構(gòu)可以使電子與空穴相結(jié)合產(chǎn)生光子,而改變載流子濃度可以改變等離子的頻率,所以量子阱結(jié)構(gòu)的光學(xué)特性可以被入射激光控制,進(jìn)而設(shè)計(jì)出基于量子阱結(jié)構(gòu)的太赫茲濾波器。e)太赫茲波長較短，因此有可能基于傳統(tǒng)的平面微波毫米波電路結(jié)構(gòu),使用MMIC、CMOS、SiGe等微納加工工藝實(shí)現(xiàn)太赫茲濾波器等無源結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì).目前這方面的研究已有少量報(bào)道。4.2、太赫茲天線隨著對太赫茲技術(shù)研究的深入,太赫茲天線也逐漸成為研究熱點(diǎn).太赫茲頻段相比微波毫米波頻段有著更高的工作頻率,對應(yīng)的波長也短很多.由于天線尺寸與波長的相關(guān)性,太赫茲天線具有尺寸小的天然優(yōu)勢,但也對加工制作帶來了挑戰(zhàn).類似于低頻段通信的天線需求,太赫茲天線也分全向天線、定向天線以及多波束天線陣等.常見太赫茲天線包括：a)太赫茲喇叭天線具有定向波束特性,天線增益高,得到了廣泛的研究和應(yīng)用。由于在太赫茲頻段,天線尺寸非常小,對加工精度要求極高，目前英國盧瑟福實(shí)驗(yàn)室制作的圓錐喇叭天線已可工作到2.5THz。b)太赫茲反射面天線具有高增益、低旁瓣、窄波束等優(yōu)點(diǎn),也是一種太赫茲技術(shù)中經(jīng)常采用的天線形式,包括單反射面天線和雙反射面天線，一般廣泛應(yīng)用于射電天文望遠(yuǎn)鏡.c)太赫茲透鏡天線采用介質(zhì)透鏡,具有高增益、低副瓣等特性.由于集成度較高且可形成透鏡陣列,它對太赫茲成像技術(shù)的發(fā)展起到了重要的推動(dòng)作用.d)太赫茲平面天線結(jié)構(gòu)簡單,容易與其他電路集成,且加工較容易、成本較低,是一種受到歡迎的結(jié)構(gòu)形式.e)光電導(dǎo)天線作為產(chǎn)生寬帶太赫茲波的一個(gè)主要方法,在太赫茲領(lǐng)域得到了廣泛的研究.它的作用是有效地產(chǎn)生大功率、高能量、高效率的太赫茲波,其發(fā)展趨勢是繼續(xù)提高產(chǎn)生太赫茲波的功率和效率.另外,一些新型材料在太赫茲天線的設(shè)計(jì)中也受到了關(guān)注,如碳納米管雙極子天線和片上太赫茲3D天線等.4.3太赫茲混頻器在超外差太赫茲系統(tǒng)中,混頻器是一個(gè)核心器件,其功能是將太赫茲信號(hào)向下搬移到微波毫米波頻段,從而實(shí)現(xiàn)對信號(hào)的采集、分析及處理,對太赫茲通信、太赫茲成像、大氣監(jiān)測等領(lǐng)域具有重要影響。目前可以在太赫茲頻段容易實(shí)現(xiàn)的混頻管有超導(dǎo)體{絕緣體{超導(dǎo)體(SIS)混頻管、熱電子測輻射熱計(jì)混頻管以及肖特基二極管.前兩者對工作環(huán)境的溫度要求較高,需要低溫環(huán)境,而肖特基二極管卻沒有這個(gè)限制.超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器由具有近似理想開關(guān)特性的超導(dǎo)隧道結(jié)構(gòu)成.因此它可以提供較高的變頻效率和一定的變頻增益,同時(shí)它僅需要較小的本振功率,因此噪聲較低。常用的Nb隧道結(jié)在700GHz以下具有較好的性能,如果配合高能隙超導(dǎo)材料NbN以及NbTiN等，可以將工作頻率拓展到12THz。目前超導(dǎo)隧道結(jié)混頻器的研究逐步由單元設(shè)計(jì)向多像元發(fā)展,特別是大規(guī)模多像元集成化接收機(jī)設(shè)計(jì).近年來,國內(nèi)外研究人員對太赫茲混頻器開展了大量的研究工作。4.4太赫茲倍頻器與太赫茲混頻器類似,太赫茲倍頻器也是太赫茲系統(tǒng)的一個(gè)核心器件.通過倍頻器,不僅可以由低頻率的微波毫米波信號(hào)產(chǎn)生高頻率的太赫茲信號(hào),也能在一定程度上提高太赫茲信號(hào)的頻率穩(wěn)定度和信號(hào)質(zhì)量.主要原理是利用非線性器件,產(chǎn)生兩倍或者多倍的輸出信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)頻率倍增的功能,是目前獲取高頻率太赫茲信號(hào)源的一個(gè)重要手段。由于在太赫茲頻段，半導(dǎo)體器件的寄生參數(shù)對電路性能的影響較大,所以需要對其進(jìn)行仔細(xì)的分析與建模,進(jìn)而完成倍頻器的設(shè)計(jì)。5、太赫茲應(yīng)用太赫茲技術(shù)的發(fā)展激發(fā)了很多有意義的應(yīng)用,帶來了多個(gè)領(lǐng)域新的發(fā)展，列舉幾個(gè)典型領(lǐng)域的應(yīng)用.在太赫茲射電天文應(yīng)用方面,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(jìn)行研究,可以理解更多關(guān)于我們生活的太陽系以及宇宙的進(jìn)化過程。例如,通過研究星際分子云的太赫茲頻段頻譜特性,可探究宇宙的起源；分析原子和分子散射出來的頻譜信息,可研究宇宙中的新生星系的形成等。在太赫茲無損檢測方面,太赫茲輻射的光子能量低,對穿透物不會(huì)造成損傷,并且可以穿過大多數(shù)介電物質(zhì).太赫茲波這一特點(diǎn)對于檢測非導(dǎo)電材料中的隱藏缺陷或者特殊標(biāo)記具有很大的發(fā)展空間，一般稱為無損檢測，比如檢測油畫、航天器和半導(dǎo)體器件等。在太赫茲生命科學(xué)應(yīng)用方面，由于太赫茲輻射波對人體基本無害,同時(shí)水和其他組織對太赫茲波具有不同的吸收率，因此它可廣泛應(yīng)用于對人體局部成像和疾病的醫(yī)療診斷上，比如對于皮膚癌和乳腺癌等的檢測.太赫茲波段包含了大量的光譜信息,對不同的分子,尤其是有機(jī)大分子會(huì)呈現(xiàn)出不同的吸收和色散特性，因而可以有效地用于測定分子特性,在生命科學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，比如測定DNA的束縛狀態(tài)、生物組織的特征和蛋白質(zhì)復(fù)合物等。在太赫茲安全應(yīng)用方面,太赫茲波具有穿透性,能夠?qū)崿F(xiàn)對隱蔽物體的有效檢測,可應(yīng)用于國家安全相關(guān)的領(lǐng)域，比如對于隱蔽的爆炸物、隱藏的槍支、郵寄的非法藥品的檢測和用于機(jī)場的快速安檢等.上海微系統(tǒng)所孫曉瑋團(tuán)隊(duì)研制了0.36THz的成像系統(tǒng),電子科技大學(xué)樊勇團(tuán)隊(duì)研制了0.34THz的SAR成像系統(tǒng)。在太赫茲高速通信方面,相對于現(xiàn)有微波毫米波通信頻段的頻譜,太赫茲頻段具有海量的頻譜資源，可用于超寬帶超高速無線通信，比如100Gbps甚至更高。毫米波與太赫茲領(lǐng)域未來研究方向展望毫米波領(lǐng)域1、大功率毫米波固態(tài)源。針對5G通信、空天地一體化通信、高分辨率雷達(dá)等應(yīng)用需求,發(fā)展GaAs和GaN工藝,提升毫米波固態(tài)放大器的輸出功率,探索高效率功率合成原理和實(shí)現(xiàn)方法.2、高功率毫米波電真空器件。毫米波行波管(TWT)、回旋管(Gyrotron)、速調(diào)管(Klystron)、返波管(BWO)等高功率放大器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),重點(diǎn)是提高其可靠性和壽命.3、毫米波III/V族單片集成電路。研究GaAs、InP等III/V族毫米波單片集成電路,改善輸出功率和噪聲性能指標(biāo),提高電路集成度