面向6G無線通信應(yīng)用的太赫茲收發(fā)器

張真真，王 長,2，譚智勇,2，曹俊誠,2*

(1.中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所 太赫茲固態(tài)技術(shù)實驗室，上海200050；2.中國科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049)

0 引言

太赫茲(Terahertz,THz)波是頻率在0.1～10 THz的電磁波，在電磁波譜中位于紅外和微波之間。近年來，THz技術(shù)因其在快速成像、無損探測、太空遙感、材料表征和高速無線通信等領(lǐng)域巨大的應(yīng)用潛力而取得了顯著進(jìn)展[1-6]。在無線通信領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(VR)、自動駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、腦機(jī)接口等越來越多新興技術(shù)的發(fā)展將需要比5G網(wǎng)絡(luò)更高帶寬和更快的數(shù)據(jù)傳輸速率[7]。當(dāng)最小帶寬達(dá)到幾十GHz時，必須在THz范圍內(nèi)使用更高的載波頻率。THz無線局域網(wǎng)和蜂窩網(wǎng)絡(luò)可以為這些新興的技術(shù)提供每秒數(shù)T比特(Tbit/s)的超高數(shù)據(jù)傳輸速率和高速無線數(shù)據(jù)分發(fā)[8]，成為6G的關(guān)鍵候選波段[9]，文獻(xiàn)[10]描述了6G無線通信技術(shù)的未來愿景[10]?，F(xiàn)在，世界上許多研究小組已經(jīng)開發(fā)出頻率超過100 GHz的通信鏈路。特別是，在275 GHz以上，有可能為無線電通信應(yīng)用提供超過50 GHz的超大帶寬[11]。

THz無線通信技術(shù)的發(fā)展勢必會推進(jìn)新技術(shù)的革新，包括收發(fā)器、通信設(shè)備、鏈路、軟件、信號處理和系統(tǒng)的突破性進(jìn)步。例如為了解決障礙物對信號的阻擋問題，科學(xué)家提出了一種全新的基于可重構(gòu)智能表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,RIS)的無線通信技術(shù)[12-14]，通過巧妙地調(diào)整反射元件的相移來控制光束的傳播方向，提高覆蓋性能。此外，緊湊、輕便、易于操作的THz波收發(fā)器是高頻無線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)。基于光子學(xué)原理的收發(fā)器在信號生成、調(diào)制和檢測方面具有很強的實用性，既可以實現(xiàn)超寬帶和超高速傳輸，又易于與現(xiàn)有的光纖或無線網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合[15]。實際上，在THz技術(shù)研究之初，科學(xué)家們已經(jīng)開始使用THz光子學(xué)器件進(jìn)行THz波無線通信的探索[16-18]。

在THz頻段內(nèi)，基于III-V族化合物半導(dǎo)體材料的單行載流子光電二極管(Uni-traveling-carrier Photodiode，UTC-PD)備受青睞，在約300 GHz的頻率范圍內(nèi)可以達(dá)到毫瓦級輸出功率[11]，是毫米波/THz波無線鏈路中發(fā)射器和接收機(jī)的理想器件。肖特基二極管(Schottky Barrier Diode,SBD)混頻器是THz外差混頻技術(shù)的一種基本元器件[19]，通常與具有寬帶天線集成的UTC-PD結(jié)合使用，形成THz無線互連系統(tǒng)。隨著先進(jìn)半導(dǎo)體工藝的不斷發(fā)展，SBD可以與許多無源器件(例如濾波器和波導(dǎo)等)集成，在應(yīng)用于高頻探測時能發(fā)揮更優(yōu)異的性能[20]。THz量子級聯(lián)激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)具有調(diào)諧范圍大、能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，是1～5 THz無線通信波段非常重要的THz源。自2002年首個THz QCL誕生以來[21]，為了提高工作溫度和輸出功率，科學(xué)家們進(jìn)行了大量的研究工作，使得器件的工作溫度和輸出功率有了大幅度提升[22-24]。THz量子阱探測器(Quantum Well Photodetector，QWP)具有響應(yīng)速率快、光譜分辨能力強的優(yōu)點，非常適合高頻和高速通信的探測應(yīng)用。本文逐一介紹了面向6G無線通信系統(tǒng)應(yīng)用的4種THz收發(fā)器件的基本原理，以及基于這些器件實現(xiàn)的THz無線通信系統(tǒng)。

1 單行載流子光電二極管(UTC-PD)

超快光電二極管是電學(xué)和光學(xué)轉(zhuǎn)換技術(shù)的關(guān)鍵器件，在準(zhǔn)光學(xué)THz無線通信系統(tǒng)中起到光電轉(zhuǎn)換的作用。UTC-PD是一種很有前途的緊湊、易集成、高功率和超寬帶的THz波收發(fā)器，工作頻率一般在0.3 THz以上。與傳統(tǒng)的光電二極管相比，超快的載流子渡越時間和超高的飽和電流決定了UTC-PD擁有超快的光電轉(zhuǎn)換速度和更高的功率，這些顯著優(yōu)勢使UTC-PD既可以用于THz光通信中的高速探測器，也可以用于大功率的THz波發(fā)生器。

1997年，Ishibashi等人基于InP/InGaAs材料體系發(fā)明了第一個UTC-PD器件，驗證了器件的快速響應(yīng)特性[25]。UTC-PD的能帶結(jié)構(gòu)示意圖[26]如圖1所示，器件包含了一個p型窄禁帶光吸收層和一個寬禁帶的載流子收集層。吸收層中的光生電子漂移或擴(kuò)散到耗盡的載流子收集層中，同時，光生空穴通過它們的集體運動在介電弛豫時間內(nèi)快速移動到擴(kuò)散阻擋層。電子在器件工作中起主要作用，因此，UTC-PD的光響應(yīng)速度主要由整個結(jié)構(gòu)中的電子傳輸速率決定，電子的有效質(zhì)量比空穴小得多，從而使器件具有更短的載流子輸運時間和更快的光響應(yīng)。光吸收層和光收集層可單獨設(shè)計，通過減小吸收層的厚度，可以縮短載流子(電子)的輸運時間，從而使器件適用于高頻應(yīng)用。

圖1 UTC-PD的能帶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Band diagrams of UTC-PDs

2005年Ito等人采用UTC-PD與寬帶對數(shù)周期天線集成的方法，制作出準(zhǔn)光學(xué)輸出端口的光混頻模塊，該模塊的工作頻率高達(dá)1.5 THz，并在1.04 THz下產(chǎn)生了2.3 μW的輸出功率[27]。經(jīng)過不斷地優(yōu)化，該課題組于2014年報道了利用蝴蝶天線和UTC-PD集成的光混頻模塊，產(chǎn)生了頻率高達(dá)2.5 THz的THz波。該混頻模塊在300 GHz頻率下，輸出功率達(dá)到10 μW。UTC-PD光混頻模塊的實物圖[28]如圖2所示。

圖2 直徑5 mm硅透鏡和光纖的天線集成的UTC-PD 光電混頻器模塊Fig.2 Antenna-integrated photomixer module with Si-lens (5 mm diameter) and fiber-pigtail

基于UTC-PD的準(zhǔn)光學(xué)光混頻模塊具有很多優(yōu)點：① 可以根據(jù)帶寬等實際需求，選擇需要集成的天線類型，如圖3所示，分別為喇叭天線、對數(shù)周期天線以及偶極子天線集成的UTC-PD的顯微照片[16]；② 不需要為了高頻應(yīng)用，而增加波導(dǎo)制作工藝的復(fù)雜度等。最重要的是該模塊可以在室溫和連續(xù)波條件下運行，無需任何冷卻?；赨TC-PD的連續(xù)THz波信號發(fā)生器，可以在350 GHz時產(chǎn)生0.5 mW的輸出功率，在1 THz時產(chǎn)生10 μW的輸出功率，在很窄的譜線寬度和很寬的頻率范圍內(nèi)調(diào)諧輸出信號[16]。

(a) 喇叭天線集成的J 波段模塊

(b) 對數(shù)周期天線集成的UTC-PD 光混頻模塊

(c) 偶極子天線集成的UTC-PD模塊圖3 UTC-PD器件與不同天線的集成模塊Fig.3 Integration modules of UTC-PDs and different antennas

2012年，Song等人報道了基于UTC-PD發(fā)射器和SBD接收機(jī)的無線通信鏈路，該鏈路在300 GHz頻率下的傳輸速率是24 Gbit/s。該鏈路的THz發(fā)射器和接收機(jī)均在UTC-PD的同一外延層上制造，傳輸距離在50 cm左右時，誤碼率小于1×10-10[29]。2014年，Ducournau等人成功搭建了基于相干THz光頻梳的無線通信鏈路，該系統(tǒng)使用高靈敏度的UTC-PD作為THz波發(fā)射器和電學(xué)接收機(jī)，在200 GHz頻率下，數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)11 Gbit/s[30]。

2021年Li等人提出了一種基于Mach Zendell調(diào)制器(MZM)的光頻梳和用于信號調(diào)制的同相正交調(diào)制器(QAM)產(chǎn)生THz波信號的新方法，并通過仿真演示了16路QAM矢量THz波信號的產(chǎn)生和傳輸。UTC-PD作為該系統(tǒng)的THz發(fā)射器，外差拍頻后產(chǎn)生390 GHz的THz波射頻信號[31]。

在實際應(yīng)用中，需要考慮器件的功率和散熱性能。例如：采用UTC-PD與微帶天線陣列集成的方法，可以克服單個器件功率較低的限制[32]，采用陣列天線集成可將模塊的總輸出功率提高到mW量級等。為了有效地傳遞光電二極管的熱量，可以使用硅襯底晶圓鍵合和金屬-金屬熱沉鍵合的方法。通過不斷地優(yōu)化，準(zhǔn)光學(xué)THz無線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件——UTC-PD，已經(jīng)成為較低頻段THz波無線通信最有前景的發(fā)射和接收器件。

2 肖特基二極管(SBD)

SBD是毫米波/THz波段外差混頻技術(shù)的一種基本元器件。當(dāng)金屬和半導(dǎo)體緊密接觸時，在半導(dǎo)體表面就會形成肖特基勢壘。由于金屬和半導(dǎo)體的不同功函數(shù)，接觸結(jié)產(chǎn)生靜電屏障，這是SBD具有整流特性的原因。當(dāng)THz電場在肖特基勢壘中產(chǎn)生的電壓足夠大時，半導(dǎo)體中的電子就會穿過勢壘到達(dá)金屬，從而產(chǎn)生響應(yīng)電流，這就是SBD工作的基本原理[20]。SBD的等效電路如圖4[33]所示，其中Rs為串聯(lián)電阻，Cj為結(jié)電容，Rj為結(jié)電阻。決定SBD探測和混頻性能的主要因素是它的截止頻率。SBD的截止頻率與其串聯(lián)電阻Rs和結(jié)電容Cj成反比。對于高頻應(yīng)用的SBD來說，結(jié)電容一般在pF量級，這就需要半導(dǎo)體材料擁有較高的載流子遷移率和飽和速度。對于在毫米波/THz波段工作的SBD，可以選擇GaAs和InP材料體系來制作[33]。在THz準(zhǔn)光學(xué)無線通信系統(tǒng)當(dāng)中，SBD通常用來與UTC-PD發(fā)射器相結(jié)合，對THz波進(jìn)行直接探測和外差探測。

圖4 SBD等效電路Fig.4 A principal equivalent circuit model of SBD

2010年，Ito等人開發(fā)了一種集成UTC-PD、SBD和平面環(huán)行器電路的緊湊型亞THz收發(fā)模塊。所有部件都組裝在一個緊湊的矩形波導(dǎo)輸出包中，以便在J波段(頻率范圍10～20 GHz)工作。這是在300 GHz左右工作的連續(xù)波光子毫米波收發(fā)器模塊的首次演示[34]。2015年，該課題組研制了基于InGaAsP材料的SBD THz波接收機(jī)模塊[35]。該模塊可以檢測200～500 GHz頻率的信號，其在350 GHz的峰值探測靈敏度為1460 V/W。這是準(zhǔn)光學(xué)系統(tǒng)中，InP基零偏置SBDs的一個記錄值。該課題組還通過集成SBD和蝶形天線，開發(fā)了偏振敏感的亞THz波探測器，所制備的準(zhǔn)光學(xué)模塊能夠在零偏壓下檢測30 GHz～1 THz頻率范圍內(nèi)的信號。Li等人報道了一種用于毫米波/亞THz頻率的緊湊型準(zhǔn)光學(xué)零偏置SBD(QO-SBD)包絡(luò)探測器，在該系統(tǒng)中，SBD探測器安裝在超半球硅透鏡上方的蝶形天線上，實現(xiàn)了10 GHz的3 dB視頻帶寬，這是寬帶準(zhǔn)光學(xué)型探測器實現(xiàn)的最高值[33]。

中國工程物理研究院電子工程研究所太赫茲研究中心成功研制了一種SBD技術(shù)的340 GHz T/R前端[36]。該前端實現(xiàn)了16 QAM高階調(diào)制的340 GHz通信，數(shù)據(jù)傳輸速率為3 Gbit/s。近期Kim等人成功實現(xiàn)了基于光子學(xué)的直接調(diào)制分布反饋激光二極管(DFB-LD)的THz無線傳輸系統(tǒng)，其工作原理如圖5所示[37]。該系統(tǒng)采用喇叭天線集成的UTC-PD將THz波發(fā)射到自由空間，采用帶有喇叭天線集成的SBD直接探測自由空間的THz波，成功地實現(xiàn)了THz波無線傳輸，最大傳輸距離為2.2 m，數(shù)據(jù)傳輸速率達(dá)到25 Gbit/s。

圖5 基于直接調(diào)制分布反饋激光二極管(DFB-LD)的光子學(xué)THz無線傳輸系統(tǒng)Fig.5 Experimental setup for investigation of transmission performances of photonics-based THz wireless delivery system

3 太赫茲量子級聯(lián)激光器(THz QCL)

THz QCL具有體積小、易集成、工藝成熟、性能穩(wěn)定等優(yōu)點，是THz波段非常重要的一種大功率半導(dǎo)體固態(tài)激光源。這種窄帶的THz源對于高分辨率光譜應(yīng)用，無線通信和極高帶寬的衛(wèi)星間通信鏈路特別有吸引力[38]。THz QCL的能帶結(jié)構(gòu)如圖6所示[21]，QCL的有源區(qū)通常是幾十甚至上百個周期的量子阱和勢壘交替生長而成，通?；贕aAs/AlGaAs材料體系制作。這樣的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，在每一個周期都可以釋放光子，從而提高了器件的輸出功率。器件輻射的中心頻率由子帶間能量差決定。在THz QCL中，光子能量比LO(縱光學(xué)聲子)的能量低，工作溫度較高時，熱激發(fā)的聲子散射會使較高能級電子的壽命降低，影響THz QCL的增益[39]，因此THz QCL工作時需要連續(xù)的低溫制冷。

在實用光子通信系統(tǒng)當(dāng)中，科學(xué)家希望THz QCL可以在連續(xù)波和高溫條件下工作。近十年中，THz QCL在工作溫度、輸出功率、光束改善和器件穩(wěn)定性等方面發(fā)展迅速[40-42]。表1為直到2019年THz QCL器件的研究進(jìn)展[43]。

圖6 THz QCL有源區(qū)的能帶結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Conduction band structure of the laser active core

表1 THz QCL器件主要參數(shù)的研究進(jìn)展

作為THz波段光子學(xué)無線通信系統(tǒng)的發(fā)射器，THz QCL可以產(chǎn)生1 THz以上的高頻信號。低于2 THz工作頻率的THz QCL通常需要加強磁場[44]。通過外調(diào)制器，QCL可實現(xiàn)調(diào)制頻率在10 GHz以上的直接調(diào)制[45]。2010年，中科院上海微系統(tǒng)所的曹俊誠團(tuán)隊成功實現(xiàn)以THz QCL為光源，以THz QWP為接收器的THz無線模擬通信鏈路[46]。該無線鏈路的基本原理如圖7[46]所示。該課題組隨后實現(xiàn)了基于THz QCL和THz QWP器件的20 bit/s的THz實時無線傳輸，誤碼率≤1× 10-8[47]，驗證了THz QCL和THz QWP作為高速THz無線通信系統(tǒng)收發(fā)器的潛力。從理論上講，THz QCL與中紅外 QCL類似，其電子壽命可以達(dá)到皮秒量級，本征帶寬能達(dá)到100 GHz[45]。

圖7 基于THz QCL和THz QWP的無線通信鏈路Fig.7 Scheme of THz transmission setup based on THz QCL and THz QWP

4 太赫茲量子阱探測器(THz QWP)

紅外量子阱探測器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)具有超高速調(diào)制性能，調(diào)制帶寬可以達(dá)到幾十GHz[48]。2017年，法國巴黎第七大學(xué)的Todorov課題組報道了第一個基于微腔結(jié)構(gòu)的室溫工作的紅外QWIP外差探測器，并用兩個QCL拍頻，探測到了4 GHz帶寬的外差信號[49]。在理論上，THz QWP是QWIP在THz 波段的自然擴(kuò)展，兩者具有類似的高頻高速探測性能。THz QWP是一種基于子帶間躍遷的單極半導(dǎo)體固態(tài)器件，峰值探測頻率在3～7 THz范圍，具有體積小、易集成、響應(yīng)速度快、靈敏度高的特點，非常適合用于THz波段的高速無線通信的接收機(jī)。

THz QWP的探測原理為：當(dāng)THz波入射到器件的光敏面時，位于量子阱中的束縛電子吸收光子能量后躍遷到接近勢壘邊的準(zhǔn)連續(xù)態(tài)，這些光生載流子在外加偏壓的作用下形成光電流，通過測量光電流信號的變化就可以實現(xiàn)對THz光的探測[20]。通過調(diào)節(jié)有源區(qū)的勢壘高度、量子阱寬度以及材料的摻雜濃度等參數(shù)可以設(shè)計不同峰值響應(yīng)頻率的QWP器件[50-51]。較低的子帶間吸收效率是制約THz QWP探測性能的主要因素，常規(guī)的QWP采用45°斜面入射的耦合方式。為了進(jìn)一步提高器件表面的光收集效率，入射方式還包括一維或二維金屬光柵耦合[52],THz QWP兩種耦合方式的示意圖如圖8[53]所示。此外，采用金屬微腔耦合結(jié)構(gòu)可以大幅提高器件對入射THz光的吸收效率，即等效為提高光收集效率，進(jìn)而可以提高器件的工作溫度和探測靈敏度[54]。

(a) 金屬光柵正如射耦合

(b) 45°襯底斜面背入射耦合

2017年，曹俊誠課題組采用基于微帶線高速封裝THz QWP的全光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)了6.2 GHz調(diào)制帶寬的高速調(diào)制，驗證了THz QWP的高速調(diào)制性能。該系統(tǒng)實驗裝置如圖9所示[55]，光源采用中心頻率為4.1 THz 的QCL，高速調(diào)制的THz光入射到THz QWP之后會轉(zhuǎn)化成光電流，該電流也是被高速調(diào)制的。采用40 GHz調(diào)制帶寬的Bias-T來檢測調(diào)制包絡(luò)，之后采用低噪聲放大器對信號進(jìn)行放大，最后在頻譜分析儀上進(jìn)行信號測量。

同年，Paulillo等人報道了峰值探測頻率為3 THz的三維開口環(huán)結(jié)構(gòu)高速Q(mào)WP陣列探測器，其結(jié)構(gòu)如圖10(a)所示，該器件包含了300個微腔單元，每一個單元都是一個開口環(huán)形天線，該器件可以工作在至少2.5 GHz的高速調(diào)制速度下，微腔陣列探測器的RF響應(yīng)測試裝置如圖10(b)所示[56]。

圖9 THz QWP高速調(diào)制實驗裝置Fig.9 Experimental setup of the fast terahertz detection using a microwave transmission line equipped terahertz QWP

(a) 探測器示意圖及顯微照片

(b) THz QWP高速調(diào)制實驗裝置圖10 三維開口環(huán)結(jié)構(gòu)高速THz QWP陣列探測器Fig.10 High speed THz QWP array detector with three-dimensional split ring structure

5 結(jié)束語

隨著6G應(yīng)用場景中數(shù)據(jù)流量的指數(shù)增長，THz頻段的無線通信技術(shù)引起了全世界的高度關(guān)注。THz無線通信接收機(jī)是THz無線通信技術(shù)研究的關(guān)鍵。采用天線集成的UTC-PD與SBD相結(jié)合的準(zhǔn)光學(xué)無線傳輸系統(tǒng)，可以在1 THz以下，實現(xiàn)高達(dá)十幾Gbit/s的數(shù)據(jù)傳輸速率。在2～7 THz的高頻波段，采用低溫制冷的THz QCL作為大功率發(fā)射器，高靈敏度高速探測的THz QWP作為接收機(jī)，可以進(jìn)行GHz帶寬的高速調(diào)制。對于這些很有潛力的THz波段收發(fā)器，仍然有許多技術(shù)瓶頸需要突破。例如：為了適合于高頻應(yīng)用，UTC-PD的發(fā)射功率和SBD的截止頻率還有待提高；對于大功率的THz QCL發(fā)射器，需要有效提高器件的工作溫度、光束質(zhì)量和能量轉(zhuǎn)換效率，并使其更穩(wěn)定地工作在連續(xù)波模式下；低溫下THz QWP的高速封裝和大規(guī)模陣列器件的制作技術(shù)仍然有待開發(fā)。從長遠(yuǎn)來看，隨著THz波無線通信系統(tǒng)對收發(fā)器需求的不斷增加，相應(yīng)的收發(fā)器研制技術(shù)必將日趨成熟。