你的位置:首页 > 技术支持 > 技术资料

太赫兹技术及应用简介

2018-6-5 10:56:11点击:
 

太赫兹技术及应用简介

随着对电磁波谱的不断探索, 人类对电子学和光学获得了充分的认识, 并且通过对电子学和光学的研究, 研发了各种器件, 形成了两大较为成熟的研究和应用技术. 一是微波毫米波技术, 在雷达、射电天文、通信、成像、导航等领域得到了广泛的应用, 另一个是光学技术, 其应用已渗透到人们日常生活的方方面面. 然而毫米波和光频段之间, 还存在着丰富的未被充分开发的频谱资源, 也就是太赫兹频段. 传统上, 微波频段定义为300 MHz-26.5 GHz, 毫米波频段为26.5-300 GHz, 而太赫兹频段为300-10000 GHz (10 THz). 现在比较流行的一种说法是, 0.3-30 GHz 为微波频段, 30-300 GHz 为毫米波频段, 也有人将0.1-10 THz 称作太赫兹频段.

太赫兹研究主要集中在0.1-10 THz 频段. 这是一个覆盖很广泛并且很特殊的一个频谱区域.起初, 这一频段被称为“THz Gap (太赫兹鸿沟)”,原因是这一频段夹在两个发展相对成熟的频,即电子学频谱和光学频谱之间. 其低频段与电子学领域的毫米波频段有重叠, 高频段与光学领域的远红外频段(波长0.03-1.0 mm) 有重叠. 由于这一领域的特殊性, 形成了早期研究的空白区. 但随着研究的开展, 太赫兹频谱与技术对物理、化学、生物、电子、射电天文等领域的重要性逐渐显现, 其应用也开始渗透到社会经济以及国家安全的很多方面, 如生物成像、THz 波谱快速检测、高速通信、穿墙雷达等. 太赫兹之所以具有良好的应用前景, 主要得益于其光谱分辨力、安全性、透视性、瞬态性和宽带等特性. 例如: 自然界中许多生物大分子的振动和旋转频率都处在太赫兹频段, 这对检测生物信息提供了一种有效的手段; 太赫兹频段光子能量较低, 不会对探测体造成损坏, 可以实现无损检测; 太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力, 从而可作为探测隐蔽物体的手段; 太赫兹脉冲的典型脉宽在皮秒量级, 可以得到高信噪比的太赫兹时域谱, 易于对各种材料进行光谱分析; 此外, 太赫兹频段的带宽很宽, 0.1-10 THz可为超高速通信提供丰富的频谱资源.

太赫兹技术

相对于毫米波技术, 太赫兹技术的研究还处在探索阶段。太赫兹技术主要包括太赫兹波源、太赫兹传输和太赫兹检测等,其关键部件可以分为无源元件和有源器件. 无源元件包括太赫兹传输线、滤波器、耦合器、天线等, 而有源器件包括太赫兹混频器、倍频器、检波器、放大器、振荡器等。

1、太赫兹源

伴随着太赫兹波生成技术的发展, 太赫兹源的研究已有很多有价值的新进展. 研发低成本、高功率、室温稳定的太赫兹源是发展太赫兹技术的基础. 太赫兹源的分类多种多样, 按照产生机理, 可以分为基于光学效应和基于电子学的太赫兹源。按照源类型可以分成3 : 非相干热辐射源、宽带太赫兹辐射源以及窄带太赫兹连续波源。

1.1 非相干热辐射源

非相干热辐射源在热平衡的情况下将热能转换为光能, 产生连续的光谱。主要例子如日常生活中的太阳, 以及白炽灯. 由于其产生的太赫兹波功率很低, 应用前景较为局限.

1.2 宽带太赫兹辐射源

宽带太赫兹辐射源目前主要应用于光谱系统, 主要由周期为几十到几百个飞秒的脉冲产生,在频谱上包含高达几十太赫兹的超宽频谱分量. 产生方法包括:

a) 光导天线:光导天线进行太赫兹辐射的主要机理是光导天线在光脉冲的照射下产生载流子, 并在电场作用下加速运动, 在表面产生瞬态电流,进而辐射太赫兹电磁波,其特点是具有较高的输出能量. 近年来, 国内外开展了很多关于光导天线产生宽带太赫兹波的研究。

b) 光整流法: 光整流法是利用非线性的光整流效应, 使两个光束或者一个高强度的单色光束在介质中传播时产生差频或和频振荡,其特点是可以实现太赫兹超宽带输出, 但是输出能量相对不高. 基于此原理, 太赫兹辐射源得到了长足的发展。

c) 空气等离子法: 空气等离子法的原理是利用激光聚焦击穿空气产生太赫兹辐射。

d) 半导体表面: 基于半导体表面的太赫兹辐射源的基本工作原理可以总结成表面电场效应和光生丹培效应. 对于某些宽带隙的半导体材料, 其表面存在表面态, 由于表面和内部的费米能级不一致, 会形成表面电场. 在这个电场作用下, 被激光激发的载流子会形成瞬态电流, 从而形成太赫兹辐射. 对于某些窄带隙半导体材料, 由于其吸收系数很大, 大量的载流子会在半导体表面形成, 其中的电子和空穴在向半导体内扩散的时候使正负电荷在空间中分离, 形成光生丹培电场, 辐射太赫兹波. 这种方式的特点是简单易操作, 但辐射功率较低。

1.3 窄带太赫兹连续波源

窄带太赫兹辐射源的目标是产生连续的线宽很窄的太赫兹波. 常用的方法包括:

a) 利用电子学器件设计振荡器, 尤其是以亚毫米波振荡器为基础, 提高振荡器的工作频率, 以设计实现适合太赫兹频段的振荡器. 由于这一特点, 目前报道的太赫兹源的工作频率主要集中在较低的太赫兹频段。但是, 在此基础上利用倍频链已获得了1THz 左右甚至更高频率的太赫兹波。

b) 太赫兹量子级联激光器(THz-QCL) 作为相干光源的一种,是基于导带子带电子能态间跃迁和声子共振辅助隧穿实现粒子数反转. 随着量子级联激光器的迅速发展, 可以用来研究微小尺度的物质运动, 比如电子微观输运, 纳米光子学等。 同时由于其结构紧凑, 使之在很多领域具有很高的应用价值, 如天体物理和大气科学、空间通讯、精密光谱测量、安检领域和太赫兹成像等。

c) 自由电子激光器是将在磁场中运动的相对论电子束的动能转换为光子能量, 从而产生激光, 其特点是具有高能量和高相干性. 由于其连续性,辐射波长可以调谐到任何波长, 非常适合用作太赫兹辐射源, 但自由电子激光器的缺点是功耗高、体积大和费用昂贵, 因此自由电子激光器基本上用在实验室环境中。

d) 光泵太赫兹激光器: 太赫兹频段符合许多极性分子的转动能级, 光泵太赫兹激光器使这些极性分子的转动能级间的粒子数反转,从而产生太赫兹辐射. 国内外相关工作中, 常用的气体有CH3F NH3D2O CH3OH 等。

e) 差频太赫兹辐射源: 差频太赫兹辐射源主要利用非线性晶体的差频效应来产生相干窄带的太赫兹辐射. 这种方法中, 需要两束不同波长的激光, 即频率不同, 以一定角度泵浦非线性晶体, 例如GaSeZnGeP2GaAsGaPLiNbO3 以及有机晶体DAST . 太赫兹波的频率取决于泵浦光波长, 可以方便进行调谐。

f) 光参量法: 光参量法是利用一束泵浦光入射晶体, 激发出斯托克斯光和电磁耦子. 在泵浦光和斯托克斯光的共同作用下, 电磁耦子发生受激拉曼散射, 实现太赫兹辐射。

2、 太赫兹传输

由于太赫兹波在空气中的损耗较大, 所以其传输结构是一个不可或缺的部分。对不同传输结构的损耗和色散特性的研究,逐渐成为了太赫兹领域的研究热点.。各国科研人员都在努力寻找低损耗、低色散、高功率容量的太赫兹传输结构,也就是寻找适合传输太赫兹波的材料和结构。就研究方法而言, 主要是根据太赫兹频段在波谱中夹在毫米波频段和光学频段之间这一特性,人们试图将在这些频段成熟的传输材料进行改进应用到太赫兹频段, 这些尝试包括金属圆波导、平行平面金属波导、金属线波导、带有金属涂层的介质波导、全介质波导、亚波长周期孔阵列、椭圆形空心光纤包层的微结构光纤、双线传输结构、光子晶体等. 如上所述,太赫兹频段的传输结构有很多选择, 需要针对不同的需求选择合适的导波结构. 同时仍需要寻找更低损耗和色散的太赫兹传输线材料和结构。

3、太赫兹检测

类似于太赫兹源, 其检测方式可以分为非相干检测和相干检测.

3.1 非相干检测

非相干检测, 即直接检测, 是指利用检波器将检波信号直接转化为电流或电压信号, 得到被测信号的幅度信息. 这种检测方式结构简单、动态范围宽, 适合于对毫米波、远红外线、可见光等频段的检测. 它的一个显著优点是可采用大规模检波阵列进行检测. 然而, 由于其相位信息的缺失, 它难以实现超高分辨率. 用于直接检测的检波器一般分为非制冷型检波器和制冷型检波器. 非制冷型检波一般工作于室温环境, 具有中等的灵敏度和较长的响应时间。制冷型检波器由于其工作温度很低, 可以获得很高的灵敏度和较快的反应时间。

3.2 相干检测

不同于非相干检测, 相干检测通常采用类似于传统通信系统中的超外差结构,先将太赫兹信号变换到较低的微波毫米波频段,再采用传统的方式提取信号的幅度和相位. 由于采用了变频方式,相干检测系统较为复杂,需要混频器等关键元器件,同时对混频器以及太赫兹本振源提出了较高的要求,比如较高的输出功率和较低的噪声等. 值得一提的是, 由于可检测到相位信息,可以获得较高的分辨率.此外, 还可进行信号放大,从而可获得较高的灵敏度. 这种技术被广泛应用于各种高分辨率、高灵敏度的探测场景, 比如深空探测等。国内紫金山天文台史生才团队在500 GHz 800 GHz 频段已成功研制了超导混频器, 并应用于射电天文探测。

3.3 检波器

常用的一些检波器包括

a) 肖特基管检波器:肖特基管不仅可应用于直接检波, 还可作为非线性器件用于超外差接收机。应用在直接检波时, 具有高效率、低成本以及高集成度等优点; 应用于混频接收机系统中, 可以获得高分辨率和高灵敏度.

b) 热电探测器:热电探测器是利用光辐射与物质之间的热敏效应这一特性而设计的器件, 曾被广泛用于远红外线探测, 现已逐步用于太赫兹领域。

c) 半导体测辐射热计: 测辐射热计一般采用高灵敏度的热敏电阻对照射在探测器的热辐射所产生的相应电阻值变化进行检测, 以获得太赫兹波的功率, 一般可探测的频率范围为几十个GHz到几十个THz. 经典的测辐射热计含有重掺杂半导体。

d) 半导体热电子测辐射热计: 通过半导体或超导体中的电子与晶格相互作用来实现测辐射热计的高热传导性和小热容量, 从而使之适合于太赫兹领域. 在半导体热电子测辐射热计中, 其半导体中的非平衡态电子被称为热电子。不同于一般的测辐射热计先让晶格吸收功率再将能量传输给自由载流子, 在这种测辐射热计中, 入射的辐射能量被自由载流子直接吸收, 所以晶格温度保持不变。

e) 超导热电子测辐射热计:为了进一步提高半导体热电子测辐射热计的灵敏度, 该检波器是通过引入介质基片上的NbN NbTiN Nb 等构成的超导微桥而实现. 按照热电子测辐射热计可以分为两类: 一种是声子冷却热电子测辐射热计;另一种是扩散冷却热电子测辐射热计。

f) 场效应晶体管检波器: CMOS 工艺由于其较低的成本和高集成度, 受到国内外研究人员的广泛关注. 近些年, 基于CMOS 工艺的太赫兹检波技术取得了显著进展. 早期的一些研究中已将场效应晶体管应用于太赫兹检波中,而近期的一些研究中已逐步发展到检波阵列并且集成在THz CMOS 单芯片中。

g) 超导转变边缘传感器(TES):超导转变边缘传感器利用电流加热超导薄膜到超导转变温度,是一种超导非相干检波技术. 当检测太赫兹辐射时, 超导薄膜可以吸收太赫兹光子, 使温度上升, 进而使电阻明显升高. 这将减少流过超导薄膜的电流, 进而降低温度, 逐步回到原来稳定的状态. 这个过程称为电- 热反馈, 在这个过程中可利用高灵敏的电流计读出电流变化. 目前最大规模的TES 检测器阵列应用是安装在美国的JCMT 望远镜上的SCUBA2 探测器阵列。

4 、太赫兹元器件

随着太赫兹技术的快速发展, 各国研究人员对太赫兹元器件开展了大量研究, 包括太赫兹无源元件, 如太赫兹滤波器、太赫兹天线、太赫兹耦合器, 以及太赫兹有源器件, 如太赫兹变频器、太赫兹倍频器等.

4.1 太赫兹滤波器

太赫兹频段具有极宽的可用物理带宽. 在不同应用场合, 需要使用滤波器等无源结构对太赫兹的频率进行选择. 目前报道的太赫兹滤波器有频率选择表面(FSS)、微机电系统(MEMS) 滤波器、波导腔体滤波器、MMIC 滤波器、CMOS SiGe 滤波器等. 另外, 还有一些太赫兹滤波器是基于二维光子晶体、超材料、表面等离子体等结构.

a) FSS 空间滤波器在低频段的研究己经相当成熟, 而关于太赫兹频段FSS 的研究并不多,只有很少的报道. 设计FSS 的主要方法有多谐振单元、多层结构方法、微扰法和基因算法等. 频率选择表面采用周期性结构来实现频率选择,已广泛应用于微波毫米波和准光系统. b) 基于MEMS 的太赫兹腔体滤波器与波导腔体滤波器相似,均采用腔体结构来实现, 前者使用体硅蚀刻工艺在硅上刻蚀滤波器图形, 然后在硅表面溅射金等实现波导腔体特性, 而后者直接在金属上使用高精密数控机械加工技术铣出滤波器图形。为了避免昂贵且困难的深硅刻蚀, 利用MEMS 的高加工精度可以在硅衬底表面刻蚀出周期性沟槽结构, 从而可以实现高选择特性的太赫兹低通滤波器。

c) 光子晶体太赫兹滤波器是在光子晶体结构中通过引入缺陷实现太赫兹滤波器。

d) 激光照射量子阱结构可以使电子与空穴相结合产生光子, 而改变载流子浓度可以改变等离子的频率, 所以量子阱结构的光学特性可以被入射激光控制, 进而设计出基于量子阱结构的太赫兹滤波器。

e) 太赫兹波长较短,因此有可能基于传统的平面微波毫米波电路结构, 使用MMICCMOSSiGe 等微纳加工工艺实现太赫兹滤波器等无源结构的设计. 目前这方面的研究已有少量报道。

4.2 、太赫兹天线

随着对太赫兹技术研究的深入, 太赫兹天线也逐渐成为研究热点. 太赫兹频段相比微波毫米波频段有着更高的工作频率, 对应的波长也短很多. 由于天线尺寸与波长的相关性, 太赫兹天线具有尺寸小的天然优势, 但也对加工制作带来了挑战. 类似于低频段通信的天线需求, 太赫兹天线也分全向天线、定向天线以及多波束天线阵等.

常见太赫兹天线包括:

a) 太赫兹喇叭天线具有定向波束特性, 天线增益高, 得到了广泛的研究和应用。 由于在太赫兹频段, 天线尺寸非常小, 对加工精度要求极高,目前英国卢瑟福实验室制作的圆锥喇叭天线已可工作到2.5 THz

b) 太赫兹反射面天线具有高增益、低旁瓣、窄波束等优点, 也是一种太赫兹技术中经常采用的天线形式, 包括单反射面天线和双反射面天线,一般广泛应用于射电天文望远镜.

c) 太赫兹透镜天线采用介质透镜, 具有高增益、低副瓣等特性. 由于集成度较高且可形成透镜阵列, 它对太赫兹成像技术的发展起到了重要的推动作用.

d) 太赫兹平面天线结构简单, 容易与其他电路集成, 且加工较容易、成本较低, 是一种受到欢迎的结构形式.

e) 光电导天线作为产生宽带太赫兹波的一个主要方法, 在太赫兹领域得到了广泛的研究. 它的作用是有效地产生大功率、高能量、高效率的太赫兹波, 其发展趋势是继续提高产生太赫兹波的功率和效率. 另外, 一些新型材料在太赫兹天线的设计中也受到了关注, 如碳纳米管双极子天线和片上太赫兹3D 天线等.


4.3
太赫兹混频器

在超外差太赫兹系统中, 混频器是一个核心器件, 其功能是将太赫兹信号向下搬移到微波毫米波频段, 从而实现对信号的采集、分析及处理, 对太赫兹通信、太赫兹成像、大气监测等领域具有重要影响。 目前可以在太赫兹频段容易实现的混频管有超导体{ 绝缘体{ 超导体(SIS) 混频管、热电子测辐射热计混频管以及肖特基二极管. 前两者对工作环境的温度要求较高, 需要低温环境, 而肖特基二极管却没有这个限制. 超导隧道结混频器由具有近似理想开关特性的超导隧道结构成. 因此它可以提供较高的变频效率和一定的变频增益, 同时它仅需要较小的本振功率, 因此噪声较低。常用的Nb 隧道结在700 GHz 以下具有较好的性能, 如果配合高能隙超导材料NbN 以及NbTiN 等,可以将工作频率拓展到12 THz。目前超导隧道结混频器的研究逐步由单元设计向多像元发展, 特别是大规模多像元集成化接收机设计. 近年来, 国内外研究人员对太赫兹混频器开展了大量的研究工作。

4.4 太赫兹倍频器

与太赫兹混频器类似, 太赫兹倍频器也是太赫兹系统的一个核心器件. 通过倍频器, 不仅可以由低频率的微波毫米波信号产生高频率的太赫兹信号, 也能在一定程度上提高太赫兹信号的频率稳定度和信号质量. 主要原理是利用非线性器件, 产生两倍或者多倍的输出信号, 从而实现信号频率倍增的功能, 是目前获取高频率太赫兹信号源的一个重要手段。由于在太赫兹频段,半导体器件的寄生参数对电路性能的影响较大, 所以需要对其进行仔细的分析与建模, 进而完成倍频器的设计。

5 、太赫兹应用

太赫兹技术的发展激发了很多有意义的应用, 带来了多个领域新的发展,列举几个典型领域的应用.

在太赫兹射电天文应用方面, 由于宇宙背景辐射在太赫兹频谱中存在丰富的信息, 这使得太赫兹射电天文成为天文观测的重要手段. 通过使用太赫兹波对宇宙背景辐射进行研究, 可以理解更多关于我们生活的太阳系以及宇宙的进化过程。例如, 通过研究星际分子云的太赫兹频段频谱特性, 可探究宇宙的起源;分析原子和分子散射出来的频谱信息, 可研究宇宙中的新生星系的形成等。

在太赫兹无损检测方面, 太赫兹辐射的光子能量低, 对穿透物不会造成损伤, 并且可以穿过大多数介电物质. 太赫兹波这一特点对于检测非导电材料中的隐藏缺陷或者特殊标记具有很大的发展空间,一般称为无损检测,比如检测油画、航天器和半导体器件等。

在太赫兹生命科学应用方面,由于太赫兹辐射波对人体基本无害, 同时水和其他组织对太赫兹波具有不同的吸收率,因此它可广泛应用于对人体局部成像和疾病的医疗诊断上, 比如对于皮肤癌和乳腺癌等的检测. 太赫兹波段包含了大量的光谱信息, 对不同的分子, 尤其是有机大分子会呈现出不同的吸收和色散特性,因而可以有效地用于测定分子特性, 在生命科学领域有着广泛的应用前景,比如测定DNA 的束缚状态、生物组织的特征和蛋白质复合物等。

在太赫兹安全应用方面, 太赫兹波具有穿透性, 能够实现对隐蔽物体的有效检测, 可应用于国家安全相关的领域,比如对于隐蔽的爆炸物、隐藏的枪支、邮寄的非法药品的检测和用于机场的快速安检等. 上海微系统所孙晓玮团队研制了0.36 THz 的成像系统, 电子科技大学樊勇团队研制了0.34 THz SAR 成像系统。

在太赫兹高速通信方面, 相对于现有微波毫米波通信频段的频谱, 太赫兹频段具有海量的频谱资源,可用于超宽带超高速无线通信, 比如100 Gbps 甚至更高。

太赫兹领域未来研究方向展望

1、大功率太赫兹源。 高功率源对于太赫兹远距离成像、探测物质内部的高穿透波谱研究、太赫兹通信等至关重要. 但到目前为止, 低成本、小体积的高功率太赫兹源还没有很好的解决方案, 需要持续研究, 以期获得突破性进展. 此外, 还应发展太赫兹行波管、回旋管、速调管和返波管等高功率放大器.

2、太赫兹信号检测。在太赫兹信号检测方面, 近些年得到了长足的进步, 许多技术的性能指标已经接近于其理论的极限, 但仍然很难满足日益增长的需求. 因此, 迫切需要探索新的检测原理, 发现新的器件, 并且在此基础上推进大规模太赫兹检测阵列的研究.

3、太赫兹固态器件与集成电路。 发展III/V 族半导体工艺, 开展元器件模型和电路设计方法的研究, 实现太赫兹器件与单片集成电路; 发展硅基集成电路工艺, 开展相应元器件模型和电路设计方法的研究, 实现太赫兹器件与片上系统.

4、太赫兹新材料与无源元件。发展新的高精度加工工艺和新型太赫兹材料, 探索新的太赫兹无源元件工作机理, 研究新型低成本、低损耗、高集成度的太赫兹无源元件。超高速太赫兹通信. 对于未来数据传输速率需要100 Gbps 甚至更高的场合, 研究超高速太赫兹通信技术, 包括频谱规划、信道模型、系统架构与标准等。

5、太赫兹测量技术与仪器。 伴随着太赫兹波生成和检测技术的成熟, 我国太赫兹仪器的研制也将拉开序幕. 太赫兹网络分析仪, 太赫兹光谱仪等等对我国太赫兹领域的研制能力有着重要的支撑作用.

6、太赫兹交叉应用领域。 目前太赫兹技术的主要研究领域在太赫兹成像, 主要集中在生物成像应用. 太赫兹波可用于对一些与其波长可比的细胞、DNA 等的检测. 研究太赫兹波与各种物质之间的相互作用, 以期发现新的物理特性、化学变化等, 对生物医学的基础领域研究提供思路. 开发新的太赫兹技术应用领域对太赫兹技术的整体发展有着重要的推动作用.

此外, 将已有的毫米波、太赫兹系统应用推向产业化, 设计出易加工、低成本、高性能的商用化太赫兹系统将对国家基础工业的发展带来革命性的变化。