從光子學(xué)角度看太赫茲技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

胡小燕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司信息科學(xué)研究院,北京 100015)

·綜述與評(píng)論·

從光子學(xué)角度看太赫茲技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)

胡小燕

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司信息科學(xué)研究院,北京 100015)

太赫茲技術(shù)是當(dāng)前極具發(fā)展?jié)摿Φ臒狳c(diǎn)技術(shù)。太赫茲源、太赫茲探測(cè)器以及太赫茲應(yīng)用研究是太赫茲技術(shù)的三大研究重點(diǎn)。本文分析了太赫茲技術(shù)在光譜探測(cè)、成像探測(cè)和通訊應(yīng)用方面的需求情況,介紹了現(xiàn)有主要的太赫茲源產(chǎn)生方法和特點(diǎn),以及太赫茲探測(cè)器的分類和常見太赫茲探測(cè)器,并以其相鄰譜段紅外探測(cè)器的發(fā)展歷程以及太赫茲探測(cè)器的發(fā)展現(xiàn)狀為參照,從光子學(xué)的角度分析了太赫茲探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)以及可能面臨的技術(shù)困難。

太赫茲；太赫茲源；直接探測(cè)；外差探測(cè)；光子探測(cè)器；熱探測(cè)器；紅外探測(cè)器

1 引 言

太赫茲波一般認(rèn)為是頻率在0.1～10 THz(對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)在3 mm ～30 μm)之間的電磁輻射,介于微波與紅外波之間,是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的頻段,圖1所示為太赫茲波在電磁波頻譜中的位置。由于大量有機(jī)分子的轉(zhuǎn)動(dòng)和振動(dòng)頻率以及大量星際塵埃的特征譜線處于此波段范圍；同時(shí)太赫茲輻射具有光子能量小,不會(huì)引起生物組織的光離化,能夠穿透針織物、紙張、煙霧等非金屬和非極性材料,這些特征使得太赫茲相關(guān)技術(shù)成為了當(dāng)前各種應(yīng)用技術(shù)的研究熱點(diǎn)。

圖1 電磁波頻譜

2 太赫茲技術(shù)的應(yīng)用需求

在過去的20幾年內(nèi)太赫茲技術(shù)呈現(xiàn)了飛躍式的發(fā)展,各國(guó)研究人員利用先進(jìn)的材料技術(shù)研究出了更高功率的太赫茲源,各種技術(shù)突破將太赫茲的應(yīng)用推向了頂峰。其中里程碑式的技術(shù)發(fā)展包括太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(TDS)、太赫茲成像技術(shù)以及非線性效應(yīng)產(chǎn)生高功率太赫茲源[1-3]。當(dāng)前,太赫茲技術(shù)應(yīng)用主要集中在光譜探測(cè)、成像探測(cè)和通訊應(yīng)用這幾個(gè)方面。

2.1 光譜探測(cè)

20世紀(jì)80年代發(fā)展起來的太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)(TDS)[4]利用物質(zhì)對(duì)太赫茲頻帶的不同特征吸收譜,用來分析研究物質(zhì)成分、結(jié)構(gòu)及其相互作用關(guān)系。通常有機(jī)分子之間弱的相互作用 (如氫鍵)及大分子的骨架振動(dòng)(構(gòu)型彎曲)、偶極子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)躍遷以及晶體中晶格的低頻振動(dòng)吸收頻率對(duì)應(yīng)于太赫茲紅外波段范圍。這些振動(dòng)所反映的分子結(jié)構(gòu)及相關(guān)環(huán)境信息,都在太赫茲波段不同吸收位置和強(qiáng)度上有明顯的響應(yīng),有機(jī)分子的這些光譜特征,被稱之為指紋譜,這使得利用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)鑒別化合物結(jié)構(gòu)、構(gòu)型與環(huán)境狀態(tài)成為可能。具體來說其可以廣泛應(yīng)用于毒品、爆炸物和其他違禁物品及環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用領(lǐng)域,目前世界范圍內(nèi)已經(jīng)很多企業(yè)生產(chǎn)商用太赫茲時(shí)域光譜儀。

除此之外,太空中星際塵埃和一些重要分子的光譜也在太赫茲譜段,如圖2所示為典型星際塵埃和重要分子的光譜[5],這使得太赫茲的天文光譜探測(cè)對(duì)宇宙構(gòu)成、星系形成和演化等研究領(lǐng)域有著重要的貢獻(xiàn)。

圖2 30 K黑體輻射光譜以及典型星際塵埃和主要的分子發(fā)射光譜

2.2 成像探測(cè)

太赫茲波對(duì)很多介電材料和非極性的液體具有良好的穿透性,且與X光相比,太赫茲波能量低,不會(huì)破壞生物組織,具有很高安全性,因此太赫茲波的一個(gè)很有吸引力的前景就是作為X射線成像和超聲波成像等技術(shù)的補(bǔ)充,用于生物醫(yī)學(xué)成像、安全檢查或者無損探傷等。太赫茲成像技術(shù)目前主要在兩個(gè)方面開展研究,逐點(diǎn)掃描太赫茲成像技術(shù)和遠(yuǎn)紅外焦平面陣列的太赫茲成像技術(shù),這一領(lǐng)域現(xiàn)在已經(jīng)被公認(rèn)最有可能首先取得重大突破,具有非常大的應(yīng)用潛力。

利用太赫茲可以穿透物質(zhì)的特性,美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)和田納西大學(xué)合作,開展“穿墻計(jì)劃(Through wall Program)”,利用太赫茲成像技術(shù)從外部獲得墻內(nèi)信息,這項(xiàng)穿墻技術(shù)在國(guó)家安全方面有很重要的價(jià)值。

在安全檢查領(lǐng)域,由于太赫茲輻射可以穿透各類非金屬材料,應(yīng)用于安檢對(duì)人進(jìn)行太赫茲透視成像,可以清楚地看到藏于衣服下的武器(如圖3所示),也可以穿透包裹看到危險(xiǎn)品,相比X射線安檢儀,對(duì)人體傷害小,且可以快速準(zhǔn)確檢出違禁品。

圖3 太赫茲探測(cè)在安全檢查中能穿透衣物發(fā)現(xiàn)隱藏的武器

在醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域,太赫茲波輻射能穿入皮膚底下數(shù)毫米的地方,而其他醫(yī)療技術(shù),(如X光和核磁共振成像技術(shù))盡管可以透視更深處組織,但因成像對(duì)比機(jī)制的不同,而對(duì)皮膚以下幾毫米的深層無能為力。同時(shí)用太赫茲波作為生物醫(yī)學(xué)成像的光源,可以避免X線等光源的副作用,并且圖像的清晰度和對(duì)比度更好,在影像上表現(xiàn)非常出色,可大量應(yīng)用到細(xì)胞及器官的鑒定或成像,放射診斷和遺傳基因研究[6]。

2.3 通訊應(yīng)用

太赫茲電磁波處于電子學(xué)向光子學(xué)的過渡領(lǐng)域,它集成了微波通信與光通信的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)相比較兩種現(xiàn)有通信手段,太赫茲波表現(xiàn)出一些特有的優(yōu)良性質(zhì)。

相比微波通訊而言,太赫茲通訊傳輸容量更大,波束更窄、方向性更好,具有更好的保密性和抗干擾能力,同時(shí)天線尺寸相對(duì)更小、系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)；相對(duì)光通信而言,其光子能量低、能量效率更高,同時(shí)具有很好的穿透沙塵煙霧的能力,當(dāng)然大氣中水汽的吸收會(huì)帶來不利因素。

總的來說,太赫茲電磁波是很好的寬帶信息載體,太赫茲波比微波能做到的帶寬和訊道數(shù)多得多,特別適合用于衛(wèi)星間、星地間及局域網(wǎng)的寬帶移動(dòng)通訊。

3 太赫茲技術(shù)研究的兩大關(guān)鍵基礎(chǔ)問題

支撐太赫茲應(yīng)用的兩大重大基礎(chǔ)問題為太赫茲源和太赫茲探測(cè)器。近年來,各國(guó)研究人員從光子學(xué)角度和電子學(xué)角度開展了針對(duì)太赫茲源、太赫茲探測(cè)器的大量研究工作,大大促進(jìn)了相關(guān)太赫茲成像技術(shù)、光譜探測(cè)等應(yīng)用技術(shù)的快速發(fā)展。

3.1 太赫茲源

自然界充滿了大量的太赫茲輻射源,從宇宙背景輻射到我們身邊絕大多數(shù)物體的熱輻射都覆蓋太赫茲波段。按照黑體輻射理論,溫度超過絕對(duì)零度的黑體都輻射電磁波,10 K以上的黑體輻射的電磁波均包括太赫茲波段,約50%的宇宙空間光子能量在太赫茲波段[7]。雖然人們?cè)缫阎捞掌澆ǘ蔚拇嬖?但是因?yàn)橛脗鹘y(tǒng)的電子學(xué)和光學(xué)方法均難以產(chǎn)生和探測(cè)太赫茲波,因此人們對(duì)于太赫茲波段的特性一直知之甚少,直到近20年,隨著超快電子學(xué)技術(shù)、微電子技術(shù)以及激光技術(shù)的發(fā)展,為太赫茲輻射提供了穩(wěn)定可靠的發(fā)射源和探測(cè)手段,從而促進(jìn)了太赫茲技術(shù)的迅速發(fā)展。

太赫茲源的獲得從原理上一方面可以將截止頻率接近太赫茲的高速、非線性器件的亞毫米波頻率通過混頻和倍頻,上變頻到太赫茲波段；另一方面也可以從紅外波段或可見光的泵浦激光器下變頻到太赫茲波段,此外還可以采用真空電子學(xué)或者固態(tài)電子學(xué)等方式來獲得太赫茲源。當(dāng)前人工太赫茲源按照產(chǎn)生原理可以分為以下三類:基于非線性介質(zhì)的太赫茲源、基于加速電子的太赫茲源以及基于激光激射方法產(chǎn)生的太赫茲源。表1所示為常見的人工太赫茲源產(chǎn)生方法及特點(diǎn)[8-11]。目前為止,太赫茲源技術(shù)中提高1 THz附近的源的功率仍然是研究的難點(diǎn)(如圖4所示)。

3.2 太赫茲探測(cè)

同其他光電探測(cè)系統(tǒng)一樣,太赫茲探測(cè)系統(tǒng)可以也分為非相干(直接)探測(cè)系統(tǒng)和相干探測(cè)系統(tǒng)，其原理如圖5所示。非相干探測(cè)系統(tǒng)主要探測(cè)目標(biāo)輻射的強(qiáng)度信息,探測(cè)帶寬寬,大多數(shù)成像探測(cè)系統(tǒng)均是非相干探測(cè),相對(duì)來說系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,比較容易實(shí)現(xiàn)大陣列規(guī)格的探測(cè)。而相干探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)的強(qiáng)度信息和位相信息,有著較好的濾波特性和高增益,具備探測(cè)微弱信號(hào)的能力,常用于高分辨率光譜研究(Δv/v～10-5～10-6),但是其系統(tǒng)比較復(fù)雜,且不容易實(shí)現(xiàn)陣列探測(cè)[13]。

圖4 太赫茲源技術(shù)中存在的“THz Gap”[12]

圖5 太赫茲探測(cè)系統(tǒng)原理圖

相干探測(cè)系統(tǒng)中,外差探測(cè)是太赫茲輻射最靈敏的探測(cè)方式之一,其采用外差電路設(shè)計(jì),相干的目標(biāo)信號(hào)與本振源(LO)信號(hào)混頻后得到包含位相信息和信號(hào)幅值的差頻信號(hào),然后對(duì)該差頻信號(hào)進(jìn)行放大處理得到目標(biāo)輻射的相關(guān)信息。其中混頻器是相干探測(cè)系統(tǒng)前端核心的部件,混頻器的性能決定著系統(tǒng)的響應(yīng)率和噪聲。通常來說,混頻器為非線性電子器件,并要求有著較高的二階非線性度,常見的有肖特基二極管(SBD)、超導(dǎo)體-半導(dǎo)體-超導(dǎo)體(SIS)隧道結(jié)、半導(dǎo)體和超導(dǎo)體材料的熱電子測(cè)輻射計(jì)(HEB)等。

除了外差探測(cè)外,光電導(dǎo)探測(cè)以及電光探測(cè)技術(shù)同樣也屬于相干探測(cè),其中光電導(dǎo)天線是最早應(yīng)用于探測(cè)太赫茲脈沖的相干探測(cè)工具,至今仍然廣泛使用,其探測(cè)過程是光電導(dǎo)天線產(chǎn)生太赫茲輻射的逆過程,其利用半導(dǎo)體光電導(dǎo)天線作為太赫茲接受元件，利用飛秒激光脈沖在半導(dǎo)體上產(chǎn)生的光電流與太赫茲驅(qū)動(dòng)電場(chǎng)成正比的特性,測(cè)量太赫茲瞬間電場(chǎng)。這種方法適用低頻太赫茲探測(cè),有著很好的靈敏度和信噪比,但是探測(cè)帶寬窄。

電光探測(cè)是光整流的逆過程,是基于帕克爾(Pockels)效應(yīng)來得到太赫茲輻射的相關(guān)信息,這種電光探測(cè)技術(shù)克服了光生載流子壽命的限制,時(shí)間響應(yīng)只與所用的電光晶體的非線性性質(zhì)有關(guān),所以具有更短的時(shí)間響應(yīng)、較高的探測(cè)帶寬、優(yōu)越的探測(cè)靈敏度和信噪比,進(jìn)而得到了廣泛的應(yīng)用,典型的如太赫茲時(shí)域光譜測(cè)量、成像技術(shù)等。

直接探測(cè)系統(tǒng)為非相干探測(cè),常見于紫外、可見光、紅外、毫米波等成像視覺系統(tǒng)中,在太赫茲波段適用于對(duì)光譜分辨率要求不高的應(yīng)用領(lǐng)域。與外差探測(cè)相比,直接探測(cè)不會(huì)受本振源以及快速探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間(τ～10-11-10-10s)的限制,因此所用的探測(cè)器一般都是基于光熱效應(yīng)和光子效應(yīng)的探測(cè),其中有積分時(shí)間較長(zhǎng)(τ～10-3-10-2s)、探測(cè)率不高(NEP～10-11-10-9W/Hz1/2)的非制冷型太赫茲探測(cè)器以及積分時(shí)間短(τ～10-7-10-6s)、探測(cè)率較高(NEP～10-17-10-13W/Hz1/2)的制冷型探測(cè)器。非制冷探測(cè)器主要有高萊管、壓電探測(cè)器、肖特基二極管、各種輻射計(jì)和微測(cè)輻射計(jì)(VOx、Bi、Nb、Ti……)等,文獻(xiàn)[14]中對(duì)這些非制冷太赫茲探測(cè)器件的性能進(jìn)行了整理；制冷型探測(cè)器包括半導(dǎo)體熱電子測(cè)輻射計(jì)HEB(InSb、Si、Ge)、非本征光導(dǎo)器件(摻雜Ge、摻雜Si)以及一些低維量子器件(QWIP)等[13]。

4 常見的太赫茲探測(cè)器

同太赫茲源的研究一樣,人們對(duì)太赫茲探測(cè)器的研究也是基于已有的微電子和光電子技術(shù)基礎(chǔ),一方面將電子學(xué)器件(微波頻段)的工作頻率拓展到太赫茲頻段,另一方面也在將光電器件(紅外波段)的探測(cè)波段拓展到了太赫茲波段。

按工作原理,太赫茲探測(cè)器也可以分為光子探測(cè)器和熱探測(cè)器兩大類。

4.1 基于光子效應(yīng)的太赫茲光子探測(cè)器

光子探測(cè)器是材料通過吸收光子導(dǎo)致材料中電子產(chǎn)生躍遷,引起電學(xué)性能的變化。根據(jù)電子躍遷方式分為:本征激發(fā)、非本征激發(fā)、自由載流子激發(fā)。本征激發(fā)是吸收光子后,電子直接從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶；非本征激發(fā)是材料中的缺陷能級(jí)至導(dǎo)帶或者電子束縛態(tài)之間躍遷；自由載流子激發(fā)是導(dǎo)帶中電子或者價(jià)帶中空穴發(fā)生在同一能帶中的躍遷吸收，如圖6所示。對(duì)于紫外、可見光以及紅外波段的光子探測(cè)器來說,通常是利用不同禁帶寬度的半導(dǎo)體材料的本征激發(fā)特性來探測(cè),然而對(duì)于太赫茲波段探測(cè)器來說,其光子能量太低(hν=4 meV@1 THz),很難找到匹配的窄禁帶半導(dǎo)體材料,因此太赫茲光子探測(cè)器均是非本征激發(fā)或者自由載流子激發(fā)方式。

相比熱探測(cè)器,光子探測(cè)器有入射光子波長(zhǎng)選擇性以及較高的信噪比,同時(shí)需要低溫制冷來抑制器件熱噪聲,且隨著探測(cè)波長(zhǎng)的增加,要求制冷溫度越低。

圖6 光子探測(cè)器的幾種躍遷模式

以下是幾種常見的太赫茲光子探測(cè)器:

1)肖特基二極管

肖特基二極管(SBD)是太赫茲探測(cè)中最常用的探測(cè)器,其物理機(jī)理是基于自由載流子激發(fā)。肖特基二極管即可以用于直接探測(cè),也可以作為外差探測(cè)中的混頻器。20世紀(jì)90年代前廣泛用作太赫茲相關(guān)探測(cè)中的混頻器,近年來逐漸被SIS以及HEB混頻器替代[15]。相比于制冷的HEB以及SIS混頻器而言,SBD的性能要差很多(如圖7所示),但是SBD不需要制冷的特點(diǎn)使得其在應(yīng)用方面具有一定的優(yōu)勢(shì),特別適合用于中等分辨率要求的毫米波光譜測(cè)量中。

最早的肖特基勢(shì)壘二極管采用金屬針接觸半導(dǎo)體材料,用的最多的是W/p-Si 接觸(300 K工作溫度下其NEP～10-10W/Hz1/2),當(dāng)然也有W/n-Ge、W/n-GaAs、W/n-InSb材料的。近年來這種觸須型二極管已經(jīng)被平面結(jié)二極管結(jié)構(gòu)所替代,作為分立器件時(shí),平面二極管采用flip-chip與電路進(jìn)行互連,同時(shí)利用先進(jìn)的工藝技術(shù),二極管可以與許多無源器件(濾波器、波導(dǎo)、阻抗匹配元件)集成在同一基板上[17]。近年來基于MBE外延技術(shù),將半金屬ErAs沉積于InP襯底或者InAlGaAs緩沖材料上制備得到的肖特基二極管,其NEP表現(xiàn)為高出傳統(tǒng)二極管兩個(gè)數(shù)量級(jí)(NEP～10-12W/Hz1/2)[18]。

圖7 SBD、SIS以及HEB幾種太赫茲波段混頻器的噪聲溫度比較[16]

2)非本征激發(fā)Ge光導(dǎo)器件

非本征激發(fā)光導(dǎo)探測(cè)器的物理機(jī)理是基于雜質(zhì)缺陷能級(jí)的非本征激發(fā),該探測(cè)器波長(zhǎng)覆蓋從幾微米的紅外到大約300 μm的太赫茲波段,本底材料和摻雜決定波長(zhǎng)范圍。非本征光導(dǎo)探測(cè)器研究了大約50多年,最早非本征激發(fā)光導(dǎo)探測(cè)器是基于Ge材料,后來隨著Si材料技術(shù)的發(fā)展,有了基于Si材料以及其他GaAs、GaP半導(dǎo)體材料。其中Si和Ge材料的非本征探測(cè)器是比較常見的兩種,Si器件不適用制備探測(cè)波長(zhǎng)大于40 μm的器件,在大于40 μm的器件中,Ge器件仍然具有優(yōu)勢(shì),廣泛應(yīng)用于了各種航空或者航天天文觀測(cè)儀器,例如歐洲宇航局的紅外空間觀測(cè)儀(ISO)以及美國(guó)NASA的Spitzer空間望遠(yuǎn)鏡等,其中Spitzer中應(yīng)用了70 μm截止波長(zhǎng)的32×32元的Ge∶Ga器件以及截止波長(zhǎng)160 μm的2×20元器件[19],圖8所示為各種摻雜的Ge光導(dǎo)器件的相對(duì)光譜,這些探測(cè)器的NEP在10-18～10-16W/Hz1/2量級(jí),同時(shí)需要低至4.2 K左右的深低溫制冷。

3)SIS探測(cè)器

SIS是一種基于超導(dǎo)材料的光子探測(cè)器,其利用了光子輔助隧穿機(jī)制為理論基礎(chǔ),可以探測(cè)0.1～1.2 THz的信號(hào),需要在1 K左右的溫度下工作,其NEP在10-20W/Hz1/2量級(jí),廣泛應(yīng)用于太赫茲射電天文和大氣物理研究中。

圖8 一些常見Ge非本征光導(dǎo)探測(cè)器[20]

SIS隧道結(jié)由于其非線性I-V特性,是當(dāng)前應(yīng)用最多的用于外差探測(cè)毫米波和亞毫米波的混頻器,單像素的SIS 混頻器一般來說需要40～100 μW的本振源功率,相對(duì)單元SBD對(duì)LO源的功率要求(>1 mW)低很多。當(dāng)然HEB混頻器對(duì)于本振源功率的要求更低(<0.1～1 μW),與SIS和SBD探測(cè)器不同的是,HEB是熱探測(cè)器,同時(shí)其工作頻率更高,可以達(dá)5 THz[13]。對(duì)LO源功率的要求低,使得對(duì)源的選擇范圍更大,這也是近年來在外差探測(cè)中,HEB和SIS混頻器在逐步替代SBD探測(cè)器的原因。

4)量子阱探測(cè)器件

量子阱探測(cè)器的研究最早開始于20世紀(jì)80年代末[21],最先用于紅外波段的探測(cè),主要基于GaAs/AlxGa1-xAs,由于窄帶隙材料GaAs被寬帶隙材料AlxGa1-xAs夾在中間,電子在沿材料生長(zhǎng)方向被束縛,在導(dǎo)帶阱中形成束縛態(tài),利用紅外光子激發(fā)實(shí)現(xiàn)電子從束縛態(tài)到束縛態(tài)的躍遷,并在外加電場(chǎng)的作用下形成光電流(如圖9所示)。量子阱探測(cè)器利用成熟的MBE技術(shù)生長(zhǎng)材料,可以通過調(diào)節(jié)勢(shì)阱和勢(shì)壘材料的組分、厚度等參數(shù)獲得不同波段的探測(cè)器,覆蓋從紅外到太赫茲波段。同時(shí)借用量子阱紅外探測(cè)器的成熟制備技術(shù),太赫茲量子阱探測(cè)器可以制備成大面陣探測(cè)器。

采用的GaAs/AlxGa1-xAs材料系的量子阱探測(cè)器由于GaAs材料晶格振動(dòng)對(duì)光子的強(qiáng)烈吸收,使得對(duì)光子能量在34～36MeV(8～9 THz)及更低能量的輻射探測(cè)很難實(shí)現(xiàn)。H.C.Liu等人[22]采用拋物帶有效質(zhì)量近似和三維漂移-擴(kuò)散器件模擬方法設(shè)計(jì)出一種新型THz QWIP,并成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)光子能量小于34 MeV的探測(cè),最終分別實(shí)現(xiàn)了8.7、5.4、3.2 THz波長(zhǎng)的探測(cè)。

5)其他新型光子器件

除了以上這些光子探測(cè)器,近年來,IWIP(異質(zhì)結(jié)光電探測(cè)器)[23]、量子點(diǎn)探測(cè)器[24]也從紅外波段拓展到了太赫茲波段,除此之外,基于碳納米管[25]以及石墨烯[26]等新型材料的太赫茲探測(cè)器件也正在研究。

圖9 量子阱子帶間光激發(fā)躍遷示意圖

4.2 基于光熱效應(yīng)的太赫茲熱探測(cè)器

熱探測(cè)器的基本工作原理為熱敏材料吸收入射輻射后導(dǎo)致溫度升高,進(jìn)而改變其某些物理特性(例如電阻、介電常數(shù)等),通過測(cè)量這些物理特性的變化來探測(cè)入射輻射場(chǎng)的不同。很多工作在紅外波段的熱探測(cè)器也可以應(yīng)用于太赫茲波段,例如測(cè)輻射計(jì)、熱電探測(cè)器以及高萊管等。

熱探測(cè)器的基本原理可以用圖10來描述,傳感器部分是由吸收層和熱敏材料組成的像元,像元被絕熱支撐柱與襯底隔開；其中傳感器吸收輻射后溫度升高,絕熱支撐柱一方面杜絕傳感器溫度的傳導(dǎo)、另一方面實(shí)現(xiàn)支撐和必要的電學(xué)連接。影響熱探測(cè)器的性能的主要參數(shù)是傳感器熱容Cth、絕熱柱的熱傳導(dǎo)Gth(整個(gè)熱探測(cè)器處于對(duì)流絕熱的真空封裝下)、熱敏材料的溫度系數(shù)。其中溫度系數(shù)表示熱敏感材料溫度變化時(shí)導(dǎo)致的物理特性的變化率,這個(gè)值越大越好；熱探測(cè)器的響應(yīng)率與溫度系數(shù)成正比,與Gth成反比,因此Gth越小,響應(yīng)率越高,然而熱探測(cè)的響應(yīng)時(shí)間τ=Cth/Gth如果過分降低了Gth的值,可能會(huì)導(dǎo)致熱響應(yīng)時(shí)間過長(zhǎng),因此熱探測(cè)器設(shè)計(jì)過程中Gth和Cth的綜合折衷考慮是非常重要的。

幾種典型的太赫茲熱探測(cè)器及基本特性如表2所示[13]。

圖10 熱探測(cè)器的基本原理示意圖

5 太赫茲探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)分析

5.1 太赫茲探測(cè)器的發(fā)展趨勢(shì)分析

太赫茲波段和紅外波段是在整個(gè)電磁頻譜中相鄰的兩個(gè)波段,有不少太赫茲探測(cè)器的探測(cè)原理是和紅外探測(cè)器的探測(cè)原理是相同的,因此,作為一個(gè)新興探測(cè)技術(shù)來說,太赫茲探測(cè)技術(shù)的發(fā)展是可以借鑒紅外探測(cè)技術(shù)的發(fā)展的。紅外探測(cè)器從20世紀(jì)40年代開始研究,至今幾十年的時(shí)間內(nèi),經(jīng)歷了三代器件發(fā)展,性能不斷提升,新材料、新技術(shù)不斷涌現(xiàn),其發(fā)展歷程可概括如下:

1)追求更高分辨率:從單元器件、線列器件發(fā)展到焦平面探測(cè)器,甚至到目前單片2048×2048超大陣列規(guī)模；

2)追求更高目標(biāo)識(shí)別率:從單色器件到單片雙色器件,甚至單片多色多光譜探測(cè)器件,以追求更高的目標(biāo)識(shí)別率；

3)追求更高性能、更好應(yīng)用體驗(yàn):通過光信號(hào)傳輸、數(shù)字化芯片處理手段不斷提高紅外探測(cè)器的集成化和智能化程度。

結(jié)合紅外探測(cè)器的發(fā)展歷程,預(yù)測(cè)太赫茲探測(cè)器的發(fā)展會(huì)有如下趨勢(shì):

1) 太赫茲焦平面探測(cè)器會(huì)成為探測(cè)器的一個(gè)重要發(fā)展方向,朝著更大陣列、更高性能方向前進(jìn),滿足更高光譜分辨率(10-7)和更精細(xì)成像需求；

2) 太赫茲波段和其他譜段或頻段綜合的多譜段或多頻道探測(cè)器存在可能；

3)集成化、微型化、智能化的太赫茲探測(cè)成像系統(tǒng)會(huì)是太赫茲應(yīng)用的重要發(fā)展方向。

表2 典型太赫茲熱探測(cè)器的原理和特點(diǎn)

5.2 太赫茲探測(cè)器技術(shù)發(fā)展過程中面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)然,如果太赫茲在朝著大陣列方向發(fā)展的過程中,除了本身技術(shù)實(shí)現(xiàn)上的難度以外,還可能需要考慮的問題:

1)系統(tǒng)如何小型化,并增強(qiáng)其實(shí)用性,這需要解決高性能、深低溫制冷問題與系統(tǒng)小型化等存在的沖突問題；

2)太赫茲探測(cè)器陣列化需要用到專用集成電路,深低溫工作以及特殊的信號(hào)處理要求對(duì)讀出電路提出了更高的要求；

3)需要考慮實(shí)際應(yīng)用中的可靠性問題,例如陣列化器件的filp-Chip結(jié)構(gòu)對(duì)高低溫沖擊的耐受性,以及需要考慮系統(tǒng)散熱的問題。

6 小 結(jié)

太赫茲源、太赫茲探測(cè)器以及太赫茲應(yīng)用研究是太赫茲科學(xué)技術(shù)研究的重點(diǎn),近年來各國(guó)科學(xué)家圍繞這些方面開展了大量的工作,研制出來了不同種類、不同工作原理的太赫茲源和太赫茲探測(cè)器,并且已經(jīng)開始應(yīng)用于生物、醫(yī)療、安防、天文探測(cè)等眾多領(lǐng)域。相信隨著新型功能材料不斷產(chǎn)生和先進(jìn)微電子、MEMS工藝技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步,作為電子學(xué)和光子學(xué)的過渡頻段,太赫茲技術(shù)將會(huì)借助學(xué)科的交叉融合和先進(jìn)加工工藝技術(shù)進(jìn)步的契機(jī),步入一個(gè)新的技術(shù)發(fā)展和技術(shù)應(yīng)用高潮。

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Research progress and trends of terahertz technology from the view of photonics

HU Xiao-yan

(China Electronics technology Group Corporation Information Science Academy,Beijing 100015,China)

Terahertz technology is a very promising technology.Terahertz source,terahertz detector and terahertz application are three key-points in terahertz technology field.The applied demand in terahertz spectroscopy,terahertz imaging,and terahertz communication are analyzed;the mechanism and characteristics of terahertz source as well as the main current classification and the common terahertz detectors are also introduced.Based on the developing progress of infrared detectors,developing trends and the probably technique difficulties of terahertz detectors in the future are also analyzed from the view of photonics.

terahertz(THz);terahertz source;direct detection;heterodyne detection;photon detectors;thermal detector;infrared detector

胡小燕(1979- )，女，碩士，高級(jí)工程師，主要從事光電探測(cè)器技術(shù)以及光譜感知微系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)研究。E-mail：13611229166@139.com

2015-03-16

1001-5078(2015)07-0740-09

O441

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.002