太赫兹探测与通信技术新进展

陈 实，胡伟东

(北京理工大学 北京市毫米波与太赫兹技术重点实验室，北京100081)

太赫兹探测与通信技术新进展

陈 实，胡伟东

(北京理工大学 北京市毫米波与太赫兹技术重点实验室，北京100081)

回顾了太赫兹技术的最新进展，并总结了未来的几个重要方向，重点介绍几种关键的太赫兹技术，包括太赫兹源、太赫兹传输、太赫兹调制和太赫兹检测。简要介绍了当前太赫兹技术的发展现状和应用情况，如射电天文学、物体无损检测、医疗成像、安检等太赫兹探测应用和太赫兹通信概况。对太赫兹探测和通信最新技术进展进行了回顾，给出了该领域的前瞻研究方向。

太赫兹波；太赫兹探测；太赫兹通信；太赫兹源；太赫兹传输

0 引言

太赫兹(THz)波是位于毫米波和红外光之间的一段电磁波[1]。目前，学术界倾向于将太赫兹波的频段定义为0.1～10 THz之间。因此，太赫兹科学技术处于电子学和光子学的交叉领域，是一门涉及物理学、材料科学、光学、微波毫米波的综合学科。

太赫兹波兼具微波和红外的共通特性，如安全性、瞬态性、宽带性、相干性、强穿透性等，预示着其良好的科研价值和应用前景。例如:太赫兹频段光子能量较低，频率为1 THz的电磁波的光子能量不会产生电离效应，和传统X光相比，在保证探测深度的情况下，更适合于对生物组织进行活体检查[2]，也不会对探测体造成损坏，可以实现无损检测[3]；太赫兹波对介质材料有着良好的穿透能力，在损耗不大的情况下，对于陶瓷、布料、纸张、塑料等具有很强的穿透力，从而可作为探测隐蔽物体的手段[4]；太赫兹波的带宽很宽，通信传输容量大，时域频谱信噪比高，太赫兹用于通信将具备以下特性，包括潜在的太比特级别传输能力，微型可靠的收发器结构和潜在的高效率，可运用于短距离无线通信、短距离大气通信、军事通信等场合[5]；太赫兹波具有方向性好、能穿透云层等特点，而且其来源不受时间的影响，探测器可以全天候工作[6]。由于探测器件的尺寸和重量要远小于微波器件，适合卫星和空间站搭载，在射电天文、大气遥感等领域中具有重要的研究和应用价值[7]。

1 太赫兹技术

太赫兹科学中的关键技术主要包括：太赫兹源、太赫兹传输、太赫兹调制、太赫兹检测等。近年来高能宽谱太赫兹源、基于宽波段太赫兹技术的时域光谱分析、太赫兹光谱成像等技术逐步实用化，同时基于远红外自由电子激光的太赫兹辐射源、InP基的量子级联激光器等太赫兹源也有进一步发展[8]。近些年来，基于III-V族(如GaAs和InP)化合物半导体和SiGe化合物半导体的大幅发展，稳定的太赫兹源、太赫兹检测器件、高功率太赫兹电真空器件(如太赫兹自由电子激光和太赫兹返波振荡器等)均有突破性进展，在太赫兹频段可视为合适的产生和探测手段。材料和器件的发展也推动了太赫兹探测和通信技术的同步提升，在射电天文、无损检测、医学成像、安检等太赫兹探测和短距离高速无线通信、宽带安全接入和通信、高速通信网络、空间通信、军事保密通信等太赫兹通信中的关键技术正受到越来越多的重视[9]。以下将介绍太赫兹领域的若干关键技术。

1.1 太赫兹源

本节着重介绍当前用于科学研究和工程应用的不同类型的太赫兹源。在太赫兹领域，高性价比、大功率、可工作于室温下的太赫兹源是任何太赫兹技术及其应用的基础。按照产生机理，太赫兹源分为基于光学效应和基于电子学两类[10]，包括光电导法、光整流法、倍频太赫兹源及量子级联激光器等。

1.1.1 基于光学效应的太赫兹源

太赫兹脉冲一般由如下几种光学方法产生：光电导、光整流等。频谱分量可高达几十THz，但是输出能量相对不高。

光电导天线是目前太赫兹源产生的主要方法之一，属于超快光电子技术。光电导天线利用表面沉积技术，生长在GaAs等光电导半导体材料表面。GaAs光电导半导体材料受到激光照射后，瞬时被大量激发形成光电流，进而产生太赫兹辐射[11]。2009年，黄振通过太赫兹时域光谱技术(terahertz time-domain spectroscopy)对光电导天线发射的太赫兹脉冲进行测量，测量结果为时域发射光谱，并通过FFT得到对应的频域光谱[12]。

光整流方法利用光束在非线性介质传播的光整流效应，两个光束或者一束高强度的单色光束在非线性介质传播时，介质内部通过差频振荡效应激发低频电极化场，进而辐射出太赫兹电磁波[13]。2013年，Huang等人通过光整流在低温冷却的铌酸锂中产生了转换效率和能量都较高的太赫兹脉冲，转换效率大于3.8±0.4%[14]。

1.1.2 微波倍频太赫兹源

二固态倍频链太赫兹源的主要优点包括：具有固有的可锁相特性以及频率捷变特性；可工作在室温下，制冷可提高性能；性能非常稳定、体积很小，直流功率低，可以长时间使用[15]。其中GaAs肖特基(Schottky Diode) 二极管应用最为广泛，由于其电压——电流的非线性效应，作为重要的太赫兹器件广泛应用于混频链路、倍频链路和检波器等多种场合。目前基于GaAs肖特基二极管的倍频链路结构是微波倍频太赫兹源的主流方案。 JPL实验室、VDI公司、Rutherford实验室等在国际上处于领先水平。

1.1.3 量子级联激光器太赫兹源

量子级联激光器(QCL)是基于能带跃迁理论的单极光源，目前技术已较为成熟，能够在室温条件下以连续波形式工作，其波长能够覆盖太赫兹频段。QCL的受激辐射仅仅依靠电子就可以使有源区内多个量子阱能级发生粒子数反转，从而达到电子与光子的单输入-多输出关系，而且激射波长是由量子阱层的厚度决定。2014年Li等人研发了输出频率为3.4 THz、输出功率大于1 W的太赫兹QCL芯片[16]。最新的QCL已经成功在200 K的温度下正常工作，输出频率可达3.2 THz[17]。

1.2 太赫兹传输

与微波毫米波相比，太赫兹波传播时的损耗不可忽略，因此太赫兹传输线多使用波导传输线。不同波导传输线在太赫兹频段下的损耗特性和色散特性，成为太赫兹传输领域的研究重点[18]。低损耗色散、高功率容量的太赫兹波导传输线，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、全介质波导等成为当前的研究热点[19]，同时考虑双线传输结构、光子晶体等。

1.3 太赫兹调制

对于太赫兹通信系统而言，高传输速率、低误码率必须由高效可靠的调制技术保障，其中太赫兹调制技术和太赫兹调制器是该领域的研究重点。由于太赫兹频段处于微波和光学的交叉领域，当前成熟的微波调制技术和光调制技术均不适用，高速宽带的太赫兹调制器也尚待研究。近年来提出了基于半导体、石墨烯、光子晶体、超材料等不同材料的电子、光学、热和非线性调制的方法。采用全新电子材料研制开发的太赫兹调制器作为太赫兹系统的重要组件，在各方面展示了调制太赫兹波的性能。太赫兹调制器的重要参数为调制深度和调制速度，可调制如振幅、相位、谱和表征时空特性的物理量。2008年Cooke采用光激励硅镀膜工艺，在平板波导结构内对太赫兹波进行调制，实验验证调制深度达到70%[20]。2011年Willie Padilla采用高电子迁移率管(High Electron Mobility Transistor，Hemt)和电控太赫兹超材料(Electrically Switchable Terahertz Metamaterials)技术，实现了调制速度为10 MHz、0.46 THz的太赫兹调制器[21]。

1.4 太赫兹检测

针对较低功率的输出和较高的热辐射噪声，高灵敏度的太赫兹检测器必不可少。通常把太赫兹信号检测技术分为非相干直接能量类和相干时域连续波类。非相干直接能量类采用直接方式检测，一般状况下，只可以检测太赫兹波的辐射强度，不包括其相位信息，这种检测方法为非相干类宽带检测。后者属于相干检测，又可以细分为太赫兹时域光谱检测技术和太赫兹低频端超外差式检测器的检测技术。

1.4.1 太赫兹相干检测技术

太赫兹相干检测技术类似超外差检测法，处理时需要通过一个非线性设备混频器进行，混频器将难处理的高频太赫兹信号，转换到可方便处理的中频信号，然后进行放大和测量。目前太赫兹频段常用的混频检测器主要有3种：肖特基二极管(Schottky Diodes)混频器、超导SIS(Super-conductor Insulator Superconductor)混频器、热电子辐射热计(Hotel Ectron Bolometer，HEB)混频器。美国NiCT研究机构长期研究基于全NbN超导的SIS结混频器。所研制的全NbN超导SIS混频器已达到了低于5倍量子极限的噪声温度[22]。

1.4.2 太赫兹非相干检测技术

该技术在不需要本振信号和中频放大器等的情况下，可以把被测的信号转变为常用的电压、电流信号，太赫兹波直检器包括常温类和低温类。其优点是较宽的探测频段，系统简单。但是，只包含幅度信息，不包括相位信息；其缺点是在后端读出电路中对低噪声有较高要求；灵敏度低、响应时间长、有标定问题、背景噪声影响大等[23]。

2 太赫兹探测应用

太赫兹波的诸多特性决定其广泛的应用前景，例如针对材料分子的时域光谱信息分析、针对非导电材料的无损检测、针对爆炸物和毒品等的反恐检查、针对无线通信网络高信息率和高速数据传输速率的短距离宽带通信等。

2.1 太赫兹射电天文

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，可以理解更多关于太阳系以及宇宙的进化过程[25]。

2.2 太赫兹无损检测

与X射线类似，太赫兹波也具备一定的穿透能力。由于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。作为一种无损无创性检查手段和现有检验手段的补充，太赫兹无损检测技术可应用于文物探伤、书砖修复、航空泡沫芯材缺陷检测。2014年Angrisani等开发了一套太赫兹无损检测系统，针对航空复合材料出现的早期亚毫米裂纹检测，大大提高了检测速度[26]。

2.3 太赫兹安检

连续波太赫兹源作为安全检查手段，可以弥补X射线成像和超声波成像等技术的不足，能有效地识别出藏在衣服中的枪支、刀具等金属武器，以及爆炸物、疑似病毒或炸药的包裹等。中电集团(CETC)第三十八研究所于2014年成功研制太赫兹安检仪并已在新疆、深圳等地投入使用，填补了太赫兹非接触主动式人体安检产业的空白[27]。

3 太赫兹通信应用

太赫兹波通信是指用太赫兹波作为信息载体进行的通信，集成了微波通信与光通信的特点：太赫兹波的高可用带宽允许处理潜在的巨大通信量；不同于可见光，太赫兹波具有一定的穿透能力，能够携带某些非视距 (Non-line-of-sight，Nlos) 数据。

室内太赫兹宽带移动通信随着高清电视、大数据、物联网和社交媒体对无线通信网络信息率持续增加的需求，促进这种网络增长的一个显著的方法是利用太赫兹可达100 Gbit/s的高速数据传输速率特性。

2004年，NTT公司基于UTC-PD光电变换太赫兹源作为发射机、肖特基二极管检测作为接收机研制了一套太赫兹无线通信系统，工作频率为0.125 THz，2008年将该系统用于北京奥运会赛事直播演示[28]。2016年NTT公司基于正交偏振复用技术开发了世界上首台0.3 THz的太赫兹通信系统，并验证了传输速率可达4 Gbit/s、传输距离为1.1 m，系统如图2所示。2011年德国IAF研制了一套全固态太赫兹无线通信系统，工作频率为0.22 THz[29]。2013年IAF采用Mhemt工艺，将发射机和接收机集成在面积为4 mm×1.5 mm的TMIC芯片上，在0.24 THz上基于全电子学方式实现了40 Gbps速率、1 km距离的太赫兹无线通信系统[30]。以上太赫兹通信系统的出现标志着太赫兹具有取代光纤实现“最后一公里”无线传输的应用潜力。

图1 NTT实验室的0.12、0.3 THz通信系统

2012年中国工程物理研究院王成等实现了工作频率0.34 THz的太赫兹无线通信系统、传输速度为3 Gb/s，传输距离可达50 m。利用该系统同时进行了IEEE802.11协议下的WLAN通信实验。目前中国工程物理研究院正在开展TMIC芯片技术研究，该芯片工作频率为0.14～0.34 THz。中科院微系统与信息技术研究所在4.1 THz基于QCL和QWP先后开展了数据文件传输实验，系统构成实验和1 Mbps传输实验，传输距离可达到2.2 m[31]。2016年，浙江大学余显斌采用光电方式实验演示了300～500 GHz频段160 Gbit/s的超高速率无线数据传输，这是在300 GHz以上太赫兹频段首次成功展示了太赫兹频段大于100 Gbit/s超高速无线通信的潜力。研究团队采用相干光学频梳和光学本振在300～500 GHz频段产生了8个信道，每个信道速率20 Gbit/s，总速率达到160 Gbit/s[32]。

4 结束语

太赫兹波以其独有的特性，使太赫兹波通信比微波和光通信拥有许多优势，决定了太赫兹波在高速短距离无线通信、宽带无线安全接入、宽带通信、高速信息网、空间通信、军事保密通信等方面均有广阔的应用前景。本文简要总结了相关研究领域的潜在应用，可以预期在不久的将来会诞生太赫兹探测和通信的商业应用。我国必须合理规划太赫兹技术的发展路线，大力发展自主知识产权的太赫兹关键器件，另一方面提升太赫兹探测和通信系统的集成程度，这样的太赫兹系统既具有高速性能，又具有室温工作、小巧和易于集成等优势，将大幅提升我国在相关领域的技术水平。

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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

陈实，胡伟东. 太赫兹探测与通信技术新进展[J].无线电通信技术,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

国家自然科学基金重大科研仪器研制项目(61527805)；国家自然科学基金创新研究群体(61421001)；教育部高等学校创新引智计划项目(B14010)

陈 实(1989—)，男，博士，主要研究方向：太赫兹测云雷达。胡伟东(1975—)，男，博士生导师，教授，主要研究方向：太赫兹遥感技术，承担国家自然科学基金重大科学仪器项目(61527805)、国家自然基金创新研究群体项目(61421001)，获得高等学校创新引智计划项目资助(B14010)，主持“十二五”民用航天太赫兹成像重大项目，目前已有三项成果通过部级鉴定，填补国内空白，获国防科学技术进步奖一项。

TN91

A

1003-3114(2017)04-01-5