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太赫兹技术发展综述

来源：本站作者：admin日期：2020-06-02 03:04:55

20世纪80 年代以来，随着一系列新技术、新材料的发展，特别是超快技术的发展，宽带稳定脉冲太赫兹源逐渐普及，推动了太赫兹技术的迅速发展，并掀起一股太赫兹研究热潮。2004 年，美国麻省理工学院评出了“改变未来世界的十大技术”，太赫兹技术是其中之一；2005 年，日本政府列出了“国家支柱十大重点战略技术”，太赫兹技术名列榜首；欧洲、澳大利亚等国政府、研究机构、大学、企业纷纷投入太赫兹技术研发的热潮中。

一、太赫兹技术概述

太赫兹波指频率在0.1THz（1012Hz）~10THz范围的电磁波（也有0.3~10THz 的说法），波长大概在0.03~3mm 范围内，介于微波与红外光之间。太赫兹波是20 世纪80 年代中后期才被正式命名的，此前统称为远红外射线。

太赫兹波处于电子学与光子学的中间过渡区域，具有独特的优势：

（1）相比微波，太赫兹波的频率高、带宽大、波束发散角小，可以承载更高频率的调制信号，大幅提高通信速率、雷达分辨率。

（2）相比红外光，太赫兹波的透射性强，对大部分干燥、非金属、非极性材料都有较好的穿透能力，可进行透视成像、无损探测，以及在较恶劣气象条件下成像等。

（3）频谱“指纹”特性。大多数分子的分子振动和转动频率都处在太赫兹频段，因此利用太赫兹波与分子共振，可以有效识别不同的物质组成和含量，太赫兹波在危险品探测、物质识别、医学检测等领域具有一定应用潜力。

（4）光子能量低，生物兼容性好。1THz 电磁波的光子能量为4.14meV，远低于可见光、紫外光，是X 射线的数百万分之一，不会产生电离辐射。低功率太赫兹波可直接照射生物组织而不产生伤害。

二、太赫兹基础技术发展现状

太赫兹基础技术主要研究如何产生、探测和控制太赫兹波，包括产生太赫兹波的太赫兹源、探测太赫兹波的各类探测器、传输/ 调制太赫兹的各种器件等。

（一）太赫兹源

目前太赫兹源主要有量子级联激光器、真空太赫兹器件、加速器太赫兹源等。

1. 量子级联激光器

量子级联激光器是利用Ⅲ–V族超晶格材料开发的紧凑型半导体光源，最初用于产生中红外波，自2002 年起，开始应用于太赫兹频段。目前，量子级联激光器在1~5THz 范围内具有优异的性能，也是唯一在该频段具有高输出功率的紧凑型光源，可产生功率大于1W 的激光，用于远场传输、频率梳和脉冲发射等。尽管量子级联激光器的运行需要低温冷却，但可以用低成本的斯特林冷却器实现。

2. 真空太赫兹器件

真空太赫兹器件可将储存的电能转化为加速电子束的动能，借助交互区的电磁波导或空腔将动能转换成电磁场能，主要类型包括行波管、速调管、磁控管和返波管等。由于功率密度的限制，真空太赫兹器件目前主要在0.22~1.0THz 工作，功率为1MW~10mW。未来瓦级真空太赫兹器件的发展趋势为能够克服大气衰减，穿透雾、灰尘或其他气溶胶，实现千兆移动网络通信、高分辨率雷达成像、非侵入性医疗诊断、材料表征、射电天文学研究等。

3. 加速器太赫兹辐射源

加速器太赫兹辐射源主要利用电场或磁场作用于加速器产生的相对论电子，产生波长在真空紫外到X 射线频段的电磁波。加速器辐射源的主要优点是具有独特的光谱亮度、功率、极值场和脉冲能量。加速器太赫兹源已在全球范围内得到广泛使用，最常用的是同步红外辐射加速器和自由电子激光器。同步红外辐射加速器是有限光谱测量和近场超宽带显微镜的主要光源，而自由电子激光器主要用于化学、生命科学等领域，如研究稀释系统或单个分子的红外光谱。

（二）太赫兹成像探测器

太赫兹成像探测器包括单探测器、阵列和焦平面阵列成像探测器等。成像器件的整体性能由光学特性（如光源功率、系统损耗和探测器灵敏度）决定。无论采用哪种成像方法，所有太赫兹成像系统都严重依赖太赫兹源的功率和探测器的响应度。

时域成像系统主要使用光电导开关或硒化锌晶体等对短脉冲进行高速整流，该成像系统具有较高的频率带宽，但其太赫兹源功率一般较低，虽可用同步检测予以克服，但总体上图像采集时间比较长，需要进一步发展。

标量成像系统的构建相对简单，但对太赫兹源的功率要求较高。对于1THz 以下的成像系统，可使用真空电子器件产生连续太赫兹波，如Gunn 振荡器、返波管和二极管倍增源。而在中红外波段，量子级联激光器具有优异的性能，但需要冷却，并且只能发射脉冲。

太赫兹探测器的主要发展方向是改善噪声等效功率、响应度，提高其集成潜力。

（三）光电导装置

光电导开关是一种既可以生成宽带太赫兹波，又可以检测宽带太赫兹波的装置。20 世纪80 年代起，光电导开关就广泛应用于太赫兹时域光谱测量中。经过多年发展，原始半导体硅– 蓝宝石光电导开关已被低温生长的砷化镓（GaAs）替代，而铟镓砷（InGaAs）和基于石墨烯的光电导开关正在快速发展，为太赫兹时域光谱测量提供低成本、便携式、稳定可靠的超短脉冲源。目前，单个半导体纳米粒子已用于制造光电导检测器，有望使微米和纳米电路与光学系统集成。当前基于光电导器件的太赫兹时域光谱系统的动态范围已经达到90dB，典型频谱覆盖0.05THz、2~6THz 之间。

（四）无源太赫兹器件

对于无源太赫兹器件，太赫兹波导无需光学对准即可与太赫兹有源器件（太赫兹源、探测器等）集成，但损耗一般较大。用于太赫兹频率的高性能波导由3 类材料制造：全金属、金属– 电介质和全电介质。金属管波导已经存在了一个多世纪，但直到2016 年，国际标准化组织才同意金属管波导在0.1THz 频率以上运行，而IEEE P1785 工作组则提出了高达5THz 的标准。金属– 电介质矩形/ 圆形波导的概念于1963 年提出，目前由低损耗电介质材料制成的波导，在0.15THz 时的损耗低至0.0037dB/m，由高损耗电介质材料制成的波导，在0.3THz 时的损耗低于1dB/m。全电介质波导虽然避免了趋肤效应损耗，但绝缘效果较差。

传统的光学元件也可用于太赫兹频段，但此频段的器件性能远低于传统频段的器件性能。例如，线栅偏振器是在太赫兹频段工作的偏振器，但消光比较低，且元件成本高。近年来，已有使用异质材料制造太赫兹偏振器的相关研究，如液晶和碳纳米管，其消光比可达50dB。波片是一种控制偏振的常用光学元件，最近，有研究利用堆叠波导结构制造了在2.0~3.1THz 工作的宽带波片。滤波片是光谱应用的重要元件，金属网滤波片已可用于毫米波段，正在向太赫兹频段延伸。

三、太赫兹应用技术发展现状

太赫兹应用技术的研究方向主要包括频谱应用、成像应用、通信应用，这些应用在国防安全领域也有潜在应用价值。

（一）太赫兹频谱应用

1. 时域频谱测量

太赫兹时域频谱技术是一种可同时获取太赫兹脉冲与物质相互作用的电场强度和位相信息的技术。经处理后能够精确地表征样品的光学、电学和介电特性随太赫兹频率变化的特征。1988 年, 人类首次实现太赫兹时域频谱测量，可测量样品的透射率、折射率、吸收系数、介电常数等。20 世纪90 年代初，锁模钛蓝宝石激光器被用于太赫兹时域频谱技术，探测器也改为低温生长的砷化镓器件。这种太赫兹时域频谱系统可对直径几厘米的物体进行二维成像。在此基础上，目前已经发展出太赫兹断层扫描和太赫兹近场/ 暗场/ 单像素成像系统。

2. 表征半导体和纳米结构

在激光源太赫兹时域频谱技术诞生后，有研究将其用于半导体和纳米结构的表征。2000 年，有研究人员发表了利用太赫兹波以非接触方式在非皮秒时间尺度上测量砷化镓瞬态光电导率的成果。目前，由光电导天线制成的具有亚皮秒时间分辨率的非接触式探头，已可在10~100fs 时间尺度内，表征了砷化镓中电子– 空穴等离子体生成光子后的库仑掩蔽和等离子激元散射现象。

3. 无损检测和分子光谱

太赫兹波对半导体、聚合物、陶瓷及其复合材料具有较强的穿透能力，可用于无接触检测，且太赫兹波光子能量低，不会对材料造成影响，这种测量是无损的。在工业和科学研究领域，使用太赫兹光谱可以在远场获得数百微米级空间分辨率的图像，探究物体内部结构。太赫兹时域光谱检测已经应用在电子、制药、催化、食品、复合材料、艺术品保护及汽车等领域，实现了非破坏性检测。

（二）太赫兹成像应用

1. 显微成像

太赫兹频带是许多凝聚态物质的低能量激发能级对应频带，包括等离子激元、声子、磁子和诱导能隙。利用时间分辨太赫兹显微成像系统可以研究纳米系统的瞬态行为。然而，太赫兹显微成像系统的空间分辨率有限，只能测量纳米系统的整体复数电导率，需要建模分析单个纳米结构、形状的相关局部效应。

近期，具有单个相干光子灵敏度的超宽带电光采样技术开始用于近场太赫兹显微镜，将太赫兹光谱成像系统的空间分辨率提高到亚纳米粒子尺度。此外，太赫兹扫描隧道显微镜也取得了一定发展。这种显微镜兼具高空间分辨率和超快速成像能力，在首次演示中，对大约2nm 尺度的纳米结构进行了成像。

2. 生物成像

太赫兹波可与生物分子共振，并且几乎不会损伤生物组织，实现活体成像。

太赫兹生物成像主要有两方面应用：在分子水平，主要是利用太赫兹波激发生物分子振动，检测分子动作；在生物组织水平，主要是利用生物组织和细胞的不同成分对太赫兹波的吸收率不同来进行组织或细胞成像。这种图像的灰度变化反映了组织的不同介电特性，可用于分辨疾病或损伤组织。

3. 医疗诊断

太赫兹波在医疗诊断领域的应用是依靠不同含水量的组织对太赫兹波的吸收不同实现的。观察人体组织的太赫兹透射图像，并依据不同组织含水量的差别来分辨正常组织和病变组织。例如，英国TeraView 公司开发了一种便携式液体太赫兹成像系统，被剑桥医院皮肤科诊所用于诊断皮肤癌。目前，太赫兹成像技术已经在乳腺癌、结肠癌、烧伤和角膜水化等领域获得了验证，并已开展工程设计。

（三）太赫兹通信应用

随着世界范围内无线数据业务呈指数级增长，60GHz 频带已经获得各国重视，而对于更高容量的无线数据系统，研究人员正在研究太赫兹通信频段（0.1~10THz）的可用带宽。目前，已有研究展示了W 波段（75~95GHz）和100GHz以上频段的太赫兹通信。利用直接检测肖特基势垒二极管，可在0.3THz 下实现48Gbit/s 的双通道多输入多输出实时通信。近期，有研究利用下变频技术在多频带亚太赫兹通信系统中实现了10048Gbit/s 的下行通信速率，以及1048Gbit/s 的上行通信速率。

（四）在国防安全领域的应用

太赫兹频谱系统、成像系统、通信系统在国防安全领域也得到了广泛应用。

在0.15THz 以上运行的成像系统可用于检查点的筛选、情报收集、人体扫描等。太赫兹波可以被许多有机分子吸收及被导电材料反射，用低功率太赫兹波直接非接触扫描人体，能发现人员随身携带的隐藏违禁物品，如毒品、炸药、枪械等，且不会对人体产生任何损伤。目前在0.15THz、0.34THz、0.68THz 频带已经获得了大量成像结果，验证了太赫兹安检系统的可用性。欧洲隐藏物体实时成像团队正在研发太赫兹成像安检仪。

太赫兹波与磷化铟集成电路结合，可制造0.85THz 及以上的雷达、通信系统。目前，关注度较高的研究是使用0.23THz 雷达系统透过退化大气环境进行成像，用于在灯火管制下着陆直升机，或飞机透过低空云瞄准目标。此外，太赫兹波具有比微波更宽的频谱、更高的时间检测精度和分辨率，可对隐身目标成像。常用雷达吸波隐身材料只能吸收较有限带宽的电磁波，而太赫兹雷达的宽带特性能够使隐身吸波涂层失去作用。

此外，太赫兹波还可用于装备的无损探测。例如，哥伦比亚号航天飞机失事后，美国采用中心频率为1THz 的太赫兹波对航天飞机的绝热泡沫层进行探测和成像，成功检测出泡沫层内的缺陷。该技术在战略导弹、航空航天结构材料检测和评估方面具有重要的应用价值，已被美国国家航空航天局（NASA）选择为缺陷检测技术之一。洛克希德· 马丁公司也开发了太赫兹检测系统，用以保障F-35 战斗机的生产质量。

四、DARPA在太赫兹领域的研究

太赫兹技术在发展早期就获得了美军关注，美国国防高级研究计划局（DARPA）在 21 世纪初就开展了有关太赫兹的研究项目。美国陆军、空军、海军也都资助了太赫兹技术研究。

（一）DARPA 的太赫兹研究项目

自 1999 年起，DARPA 就陆续安排了“太赫兹成像焦平面阵列技术”（TIFT，2003 年），亚毫米波焦平面成像技术（SWIFT，2004 年），高频集成真空电子学（HiFIVE，2007 年），太赫兹电子学（THz Electronics，2008 年），“具有压倒性能力的真空电子高功率放大器”（HAVOC，2016 年）等研究计划，以此发展太赫兹基础器件。

此外，DARPA 还在 2012 年推出视频合成孔径雷达（ViSAR）计划，2014 年推出成像雷达先进扫描技术（ASTIR）计划，发展太赫兹雷达应用技术。

在 2017 年 6 月 DARPA 微系统技术办公室启动的“电子复兴计划”中，面向大学的“联合大学微电子学计划”设立了 6 个研究中心，其中一中心为太赫兹与感知融合技术研究中心，主要研究射频到太赫兹通信、分布式计算、认知计算、先进集成电路架构等技术。

（二）DARPA 在太赫兹领域的研究趋势

通过梳理 2000—2020 财年 DARPA 的研发预算可以看出，目前 DARPA 在太赫兹领域的研究已经处于基本完成基础原理、基础器件探索，开始向应用基础技术发展阶段。

从研究内容来看，DARPA 早期开展的太赫兹应用技术研究主要是为了摸清应用所需要的基础技术，而自 2004 财年开展的太赫兹电子学研究，曾历经两度改名，一直持续到 2015 财年，主要进行太赫兹源、探测器、成像原理等基础技术的探索。

从研究成果来看，多个面向太赫兹器件的项目（SWIF、HiFIVE 等）基本完成了基础器件的研究，获得了较好的成果，目前，DARPA 在太赫兹器件领域的研究聚焦于大功率真空放大器。当前 DARPA 在太赫兹应用技术领域的研究还主要聚焦于概念验证、性能指标分析的阶段。整体上，DARPA 在太赫兹领域处于基本完成基础技术探索研究，开始再一次进入应用研究阶段，如 ASTIR 项目，见表 1。

表1 DARPA在太赫兹领域的研究情况

五、当前研究重点

（一）高性能太赫兹源、探测器和相关器件

从世界范围内的太赫兹领域研究成果来看，目前高性能太赫兹源、探测器和相关器件依然是重要研究方向，也是阻碍太赫兹技术广泛应用的最重要因素。目前，等离子体、石墨烯等新兴技术已经开始用于太赫兹领域，对提升器件性能有较大帮助。

（二）太赫兹通信标准与演示系统

随着 5G 通信技术的快速发展，目前世界各国已经开始制定毫米波频段（50~60GHz）的无线通信技术标准、通信规则等，下一步很可能将频率进一步提升到太赫兹频段。日本宣称将在 2020 年东京奥运会时实现 100Gbit 太赫兹高速通信；欧盟已将太赫兹通信列为了 6G 通信研究计划；国际电信联盟在 WRC-19 大会上设置议题 1.15，研究 0.275THz 频谱需求，建立 0.275~0.450THz频段范围内的传播模型，开展业务间电磁兼容分析，确定候选频段等。2019 年，世界无线电通信大会（WRC-19）最终批准了 275~296GHz、306~313GHz、318~333GHz 和356~450GHz 频段共137GHz带宽资源，可无限制条件地用于固定和陆地移动业务应用。这是国际电联首次明确275GHz 以上太赫兹频段地面有源无线电业务应用可用频谱资源，并将有源业务的可用频谱资源上限提升到 450GHz。

（三）太赫兹器件集成与制造技术

现有太赫兹应用系统采用的各种器件体积庞大，是阻碍太赫兹应用发展的重要因素，因此太赫兹器件集成与制造技术成为研究热点。高度集成化的太赫兹系统可降低系统体积、质量、功耗，提高系统适用范围。而低成本、与传统CMOS 工艺兼容的制造技术，将使太赫兹器件的成本降低，进一步促进其广泛应用。

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