太赫茲探測與通信技術(shù)新進(jìn)展

陳 實(shí)，胡偉東

(北京理工大學(xué) 北京市毫米波與太赫茲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

太赫茲探測與通信技術(shù)新進(jìn)展

陳 實(shí)，胡偉東

(北京理工大學(xué) 北京市毫米波與太赫茲技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100081)

回顧了太赫茲技術(shù)的最新進(jìn)展，并總結(jié)了未來的幾個(gè)重要方向，重點(diǎn)介紹幾種關(guān)鍵的太赫茲技術(shù)，包括太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲調(diào)制和太赫茲檢測。簡要介紹了當(dāng)前太赫茲技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，如射電天文學(xué)、物體無損檢測、醫(yī)療成像、安檢等太赫茲探測應(yīng)用和太赫茲通信概況。對太赫茲探測和通信最新技術(shù)進(jìn)展進(jìn)行了回顧，給出了該領(lǐng)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(xué)術(shù)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(xué)技術(shù)處于電子學(xué)和光子學(xué)的交叉領(lǐng)域，是一門涉及物理學(xué)、材料科學(xué)、光學(xué)、微波毫米波的綜合學(xué)科。

太赫茲波兼具微波和紅外的共通特性，如安全性、瞬態(tài)性、寬帶性、相干性、強(qiáng)穿透性等，預(yù)示著其良好的科研價(jià)值和應(yīng)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(huì)產(chǎn)生電離效應(yīng)，和傳統(tǒng)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(jìn)行活體檢查[2]，也不會(huì)對探測體造成損壞，可以實(shí)現(xiàn)無損檢測[3]；太赫茲波對介質(zhì)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(qiáng)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(shí)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(fā)器結(jié)構(gòu)和潛在的高效率，可運(yùn)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(diǎn)，而且其來源不受時(shí)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(yuǎn)小于微波器件，適合衛(wèi)星和空間站搭載，在射電天文、大氣遙感等領(lǐng)域中具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值[7]。

1 太赫茲技術(shù)

太赫茲科學(xué)中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：太赫茲源、太赫茲傳輸、太赫茲調(diào)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(shù)的時(shí)域光譜分析、太赫茲光譜成像等技術(shù)逐步實(shí)用化，同時(shí)基于遠(yuǎn)紅外自由電子激光的太赫茲輻射源、InP基的量子級聯(lián)激光器等太赫茲源也有進(jìn)一步發(fā)展[8]。近些年來，基于III-V族(如GaAs和InP)化合物半導(dǎo)體和SiGe化合物半導(dǎo)體的大幅發(fā)展，穩(wěn)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(jìn)展，在太赫茲頻段可視為合適的產(chǎn)生和探測手段。材料和器件的發(fā)展也推動(dòng)了太赫茲探測和通信技術(shù)的同步提升，在射電天文、無損檢測、醫(yī)學(xué)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(wǎng)絡(luò)、空間通信、軍事保密通信等太赫茲通信中的關(guān)鍵技術(shù)正受到越來越多的重視[9]。以下將介紹太赫茲領(lǐng)域的若干關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 太赫茲源

本節(jié)著重介紹當(dāng)前用于科學(xué)研究和工程應(yīng)用的不同類型的太赫茲源。在太赫茲領(lǐng)域，高性價(jià)比、大功率、可工作于室溫下的太赫茲源是任何太赫茲技術(shù)及其應(yīng)用的基礎(chǔ)。按照產(chǎn)生機(jī)理，太赫茲源分為基于光學(xué)效應(yīng)和基于電子學(xué)兩類[10]，包括光電導(dǎo)法、光整流法、倍頻太赫茲源及量子級聯(lián)激光器等。

1.1.1 基于光學(xué)效應(yīng)的太赫茲源

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

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

光整流方法利用光束在非線性介質(zhì)傳播的光整流效應(yīng)，兩個(gè)光束或者一束高強(qiáng)度的單色光束在非線性介質(zhì)傳播時(shí)，介質(zhì)內(nèi)部通過差頻振蕩效應(yīng)激發(fā)低頻電極化場，進(jìn)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(chǎn)生了轉(zhuǎn)換效率和能量都較高的太赫茲脈沖，轉(zhuǎn)換效率大于3.8±0.4%[14]。

1.1.2 微波倍頻太赫茲源

二固態(tài)倍頻鏈太赫茲源的主要優(yōu)點(diǎn)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(wěn)定、體積很小，直流功率低，可以長時(shí)間使用[15]。其中GaAs肖特基(Schottky Diode) 二極管應(yīng)用最為廣泛，由于其電壓——電流的非線性效應(yīng)，作為重要的太赫茲器件廣泛應(yīng)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(jié)構(gòu)是微波倍頻太赫茲源的主流方案。 JPL實(shí)驗(yàn)室、VDI公司、Rutherford實(shí)驗(yàn)室等在國際上處于領(lǐng)先水平。

1.1.3 量子級聯(lián)激光器太赫茲源

量子級聯(lián)激光器(QCL)是基于能帶躍遷理論的單極光源，目前技術(shù)已較為成熟，能夠在室溫條件下以連續(xù)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(qū)內(nèi)多個(gè)量子阱能級發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而達(dá)到電子與光子的單輸入-多輸出關(guān)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(fā)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(jīng)成功在200 K的溫度下正常工作，輸出頻率可達(dá)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(shí)的損耗不可忽略，因此太赫茲傳輸線多使用波導(dǎo)傳輸線。不同波導(dǎo)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(lǐng)域的研究重點(diǎn)[18]。低損耗色散、高功率容量的太赫茲波導(dǎo)傳輸線，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)等成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[19]，同時(shí)考慮雙線傳輸結(jié)構(gòu)、光子晶體等。

1.3 太赫茲調(diào)制

對于太赫茲通信系統(tǒng)而言，高傳輸速率、低誤碼率必須由高效可靠的調(diào)制技術(shù)保障，其中太赫茲調(diào)制技術(shù)和太赫茲調(diào)制器是該領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。由于太赫茲頻段處于微波和光學(xué)的交叉領(lǐng)域，當(dāng)前成熟的微波調(diào)制技術(shù)和光調(diào)制技術(shù)均不適用，高速寬帶的太赫茲調(diào)制器也尚待研究。近年來提出了基于半導(dǎo)體、石墨烯、光子晶體、超材料等不同材料的電子、光學(xué)、熱和非線性調(diào)制的方法。采用全新電子材料研制開發(fā)的太赫茲調(diào)制器作為太赫茲系統(tǒng)的重要組件，在各方面展示了調(diào)制太赫茲波的性能。太赫茲調(diào)制器的重要參數(shù)為調(diào)制深度和調(diào)制速度，可調(diào)制如振幅、相位、譜和表征時(shí)空特性的物理量。2008年Cooke采用光激勵(lì)硅鍍膜工藝，在平板波導(dǎo)結(jié)構(gòu)內(nèi)對太赫茲波進(jìn)行調(diào)制，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證調(diào)制深度達(dá)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(shù)，實(shí)現(xiàn)了調(diào)制速度為10 MHz、0.46 THz的太赫茲調(diào)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(hào)檢測技術(shù)分為非相干直接能量類和相干時(shí)域連續(xù)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(qiáng)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(xì)分為太赫茲時(shí)域光譜檢測技術(shù)和太赫茲低頻端超外差式檢測器的檢測技術(shù)。

1.4.1 太赫茲相干檢測技術(shù)

太赫茲相干檢測技術(shù)類似超外差檢測法，處理時(shí)需要通過一個(gè)非線性設(shè)備混頻器進(jìn)行，混頻器將難處理的高頻太赫茲信號(hào)，轉(zhuǎn)換到可方便處理的中頻信號(hào)，然后進(jìn)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(dǎo)SIS(Super-conductor Insulator Superconductor)混頻器、熱電子輻射熱計(jì)(Hotel Ectron Bolometer，HEB)混頻器。美國NiCT研究機(jī)構(gòu)長期研究基于全NbN超導(dǎo)的SIS結(jié)混頻器。所研制的全NbN超導(dǎo)SIS混頻器已達(dá)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(shù)

該技術(shù)在不需要本振信號(hào)和中頻放大器等的情況下，可以把被測的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｓ玫碾妷?、電流信?hào)，太赫茲波直檢器包括常溫類和低溫類。其優(yōu)點(diǎn)是較寬的探測頻段，系統(tǒng)簡單。但是，只包含幅度信息，不包括相位信息；其缺點(diǎn)是在后端讀出電路中對低噪聲有較高要求；靈敏度低、響應(yīng)時(shí)間長、有標(biāo)定問題、背景噪聲影響大等[23]。

2 太赫茲探測應(yīng)用

太赫茲波的諸多特性決定其廣泛的應(yīng)用前景，例如針對材料分子的時(shí)域光譜信息分析、針對非導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)高信息率和高速數(shù)據(jù)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(jìn)行研究，可以理解更多關(guān)于太陽系以及宇宙的進(jìn)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(huì)對探測體造成損壞，可以實(shí)現(xiàn)無損檢測。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。作為一種無損無創(chuàng)性檢查手段和現(xiàn)有檢驗(yàn)手段的補(bǔ)充，太赫茲無損檢測技術(shù)可應(yīng)用于文物探傷、書磚修復(fù)、航空泡沫芯材缺陷檢測。2014年Angrisani等開發(fā)了一套太赫茲無損檢測系統(tǒng)，針對航空復(fù)合材料出現(xiàn)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(xù)波太赫茲源作為安全檢查手段，可以彌補(bǔ)X射線成像和超聲波成像等技術(shù)的不足，能有效地識(shí)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(tuán)(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(bǔ)了太赫茲非接觸主動(dòng)式人體安檢產(chǎn)業(yè)的空白[27]。

3 太赫茲通信應(yīng)用

太赫茲波通信是指用太赫茲波作為信息載體進(jìn)行的通信，集成了微波通信與光通信的特點(diǎn)：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(shù)據(jù)。

室內(nèi)太赫茲寬帶移動(dòng)通信隨著高清電視、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)和社交媒體對無線通信網(wǎng)絡(luò)信息率持續(xù)增加的需求，促進(jìn)這種網(wǎng)絡(luò)增長的一個(gè)顯著的方法是利用太赫茲可達(dá)100 Gbit/s的高速數(shù)據(jù)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(fā)射機(jī)、肖特基二極管檢測作為接收機(jī)研制了一套太赫茲無線通信系統(tǒng)，工作頻率為0.125 THz，2008年將該系統(tǒng)用于北京奧運(yùn)會(huì)賽事直播演示[28]。2016年NTT公司基于正交偏振復(fù)用技術(shù)開發(fā)了世界上首臺(tái)0.3 THz的太赫茲通信系統(tǒng)，并驗(yàn)證了傳輸速率可達(dá)4 Gbit/s、傳輸距離為1.1 m，系統(tǒng)如圖2所示。2011年德國IAF研制了一套全固態(tài)太赫茲無線通信系統(tǒng)，工作頻率為0.22 THz[29]。2013年IAF采用Mhemt工藝，將發(fā)射機(jī)和接收機(jī)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(xué)方式實(shí)現(xiàn)了40 Gbps速率、1 km距離的太赫茲無線通信系統(tǒng)[30]。以上太赫茲通信系統(tǒng)的出現(xiàn)標(biāo)志著太赫茲具有取代光纖實(shí)現(xiàn)“最后一公里”無線傳輸?shù)膽?yīng)用潛力。

圖1 NTT實(shí)驗(yàn)室的0.12、0.3 THz通信系統(tǒng)

2012年中國工程物理研究院王成等實(shí)現(xiàn)了工作頻率0.34 THz的太赫茲無線通信系統(tǒng)、傳輸速度為3 Gb/s，傳輸距離可達(dá)50 m。利用該系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行了IEEE802.11協(xié)議下的WLAN通信實(shí)驗(yàn)。目前中國工程物理研究院正在開展TMIC芯片技術(shù)研究，該芯片工作頻率為0.14～0.34 THz。中科院微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所在4.1 THz基于QCL和QWP先后開展了數(shù)據(jù)文件傳輸實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)和1 Mbps傳輸實(shí)驗(yàn)，傳輸距離可達(dá)到2.2 m[31]。2016年，浙江大學(xué)余顯斌采用光電方式實(shí)驗(yàn)演示了300～500 GHz頻段160 Gbit/s的超高速率無線數(shù)據(jù)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(tuán)隊(duì)采用相干光學(xué)頻梳和光學(xué)本振在300～500 GHz頻段產(chǎn)生了8個(gè)信道，每個(gè)信道速率20 Gbit/s，總速率達(dá)到160 Gbit/s[32]。

4 結(jié)束語

太赫茲波以其獨(dú)有的特性，使太赫茲波通信比微波和光通信擁有許多優(yōu)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(wǎng)、空間通信、軍事保密通信等方面均有廣闊的應(yīng)用前景。本文簡要總結(jié)了相關(guān)研究領(lǐng)域的潛在應(yīng)用，可以預(yù)期在不久的將來會(huì)誕生太赫茲探測和通信的商業(yè)應(yīng)用。我國必須合理規(guī)劃太赫茲技術(shù)的發(fā)展路線，大力發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的太赫茲關(guān)鍵器件，另一方面提升太赫茲探測和通信系統(tǒng)的集成程度，這樣的太赫茲系統(tǒng)既具有高速性能，又具有室溫工作、小巧和易于集成等優(yōu)勢，將大幅提升我國在相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)水平。

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doi:10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.04.02引用格式：王永欣,妥艷君,崔麗珍,等.基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的端到端QoS控制技術(shù)研究[J].無線電通信技術(shù),2017,43(4):06-08,17.

[ WANG Yongxin,TUO Yanjun,CUI Lizhen,et al. Research on End-to-end QoS Control Technique Based on Heterogeneous Network [J]. Radio Communications Technology,2017,43(4):06-08,17. ]

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(shí)，胡偉東. 太赫茲探測與通信技術(shù)新進(jìn)展[J].無線電通信技術(shù),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(xué)基金重大科研儀器研制項(xiàng)目(61527805)；國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體(61421001)；教育部高等學(xué)校創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目(B14010)

陳 實(shí)(1989—)，男，博士，主要研究方向：太赫茲測云雷達(dá)。胡偉東(1975—)，男，博士生導(dǎo)師，教授，主要研究方向：太赫茲遙感技術(shù)，承擔(dān)國家自然科學(xué)基金重大科學(xué)儀器項(xiàng)目(61527805)、國家自然基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目(61421001)，獲得高等學(xué)校創(chuàng)新引智計(jì)劃項(xiàng)目資助(B14010)，主持“十二五”民用航天太赫茲成像重大項(xiàng)目，目前已有三項(xiàng)成果通過部級鑒定，填補(bǔ)國內(nèi)空白，獲國防科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)一項(xiàng)。

TN91

A

1003-3114(2017)04-01-5