太赫茲技術介紹

太赫茲技術

太赫茲（terahertz, 簡稱THz）波通常是指頻率在 0.1~10 THz（波長在0.03~3 mm）波段的電磁波，它的長波段與毫米波（亞毫米波）相重合，其發展主要依靠電子學科學技術，而它的短波段與紅外線（遠紅外）相重合，其發展主要依靠光子學科學技術，所以太赫茲波是宏觀電子學與微觀光子學研究的交叉領域，對於電子學與光子學研究的相互借鑒和相互融合具有重要的科學意義和極大的研究價值。

太赫茲科學技術綜合了電子學與光子學的特色，涉及物理學、化學、光學工程、材料科學、半導體科學技術、真空電子學、電磁場與微波技術、微波毫米波電子學等學科，是一個典型的交叉前沿科技領域。

太赫茲歷史及國內外發展狀況

實際上, 早在一百多年前, 就有科學工作者涉及過該波段的研究，即在1896年和1897年，Rubens和Nichols對該波段進行先期的探索。在之後的近百年間, 太赫茲科學與技術得到了初步的發展, 許多重要理論和初期的太赫茲器件相繼問世。而「 Terahertz」這個詞語正式在文章中出現卻是在1974年左右, Fleming用它來描述邁克爾遜干涉儀所覆蓋的一段頻段的譜線。現代太赫茲科學與技術的真正發展則是在20世紀80年代中期, 隨著一系列新技術、新材料的發展, 特別是超快技術的發展, 使得獲得寬頻穩定的脈衝太赫茲源成為一種常規技術, 太赫茲技術也從此得以迅速發展。

由於THz所處的特殊電磁波譜的位置, 它有很多優越的特性, 有非常重要的學術和應用價值, 使得THz受到全世界各國政府的支持, 並給予極大的關注。美國、歐州和日本尤為重視。

我國政府在2005年11月專門召開了「香山科學會議」, 邀請國內多位在THz研究領域有影響的院士專門討論我國THz事業的發展方向, 並制定了我國THz技術的發展規劃。我國的THz學科研究受到政府和各研究機構的廣泛重視。國家科技部、國家自然科學基金委、863計劃(民口和軍口)及第270次香山科學會議等都將太赫茲科學技術列為研究主題。

然而，太赫茲技術的發展仍然受到太赫茲輻射源、太赫茲探測器以及許多太赫茲功能器件的制約，儘管這些領域的研究已經進行了二十多年，但與激光技術相比，太赫茲技術所需要的許多關鍵器件還是十分有限的，很多技術尚待開發，甚至一些基礎理論研究也是急需發展的。

太赫茲輻射的獨特性質

太赫茲電磁輻射具有很多獨特的性質, 正是這些特性賦予了太赫茲輻射廣泛的應用前景。相對於高頻電磁波, 太赫茲輻射的一些基本特徵如下：

1） 高透性:太赫茲對許多介電材料和非極性物質具有良好的穿透性, 可對不透明物體進行透視成像, 是X射線成像和超聲波成像技術的有效互補,可用於安檢或質檢過程中的無損檢測。另外, 太赫茲在濃煙、沙塵環境中傳輸損耗很少, 是火災救護、沙漠救援、戰場尋敵等複雜環境中成像的理想光源。

2） 低能性:太赫茲光子能量為4.1 meV(毫電子伏特), 只是X射線光子能量的107 ～ 108 分之一, 該值低於各種化學鍵的鍵能。太赫茲輻射不會導致光致電離而破壞被檢物質, 非常適用於針對人體或其他生物樣品的活體檢查。另外, 水對太赫茲輻射有極強的吸收, 所以該輻射不會穿透人體的皮膚, 對人體是很安全的。由此, 太赫茲輻射是皮膚癌、齲齒洞等醫學檢測的理想工具。

3） 指紋譜性:太赫茲波段包含了豐富的物理和化學信息。大多極性分子和生物大分子的振-轉能級躍遷都處在太赫茲波段, 所以根據這些指紋譜, 太赫茲光譜成像技術能夠分辨物體的形貌, 鑒別物體的組分, 分析物體的物理化學性質, 為緝毒、反恐、排爆等提供相關的理論依據和探測技術。

太赫茲輻射的研究內容

THz技術主要的研究內容有:THz理論、源發射器、檢測、傳播、設備、應用基礎研究及其應用等。

1） THz源發射器

目前THz源發射器的研究主要有差頻發生(differencefrequencygenerator, DFG), 太赫茲波參量振蕩器(Terahertzparameteroscillator, TPO)及其他THz源發生器。THz源發生器結構如圖2所示。

集成調製功能的光混頻產生太赫茲波器件如圖3所示。工作在1550nm的重離子輻照In0.53 Ga0.47As材料製作的光混頻器件。光混頻器件的陣列集成(見圖4)可提高輸出功率。無線鏈路發射機由射頻塊、基帶塊、功率/控制塊和天線構成, 其中射頻塊由發射機模塊、功率放大器模塊和鎖相振蕩器(phase-lockedoscillator,PLO)構成。

2） THz檢測器

THz檢測器結構框圖如圖5所示。接收端有高速光電探測器、微波濾波器以及大功率放大器。射頻塊由MMIC接收機模塊構成, 接收機模塊包括低雜訊放大器(lownoiseamplifier, LNA)和ASK解調器。接收機MMIC集成到一個波導模塊包上。經過受限放大器的解調信號進入時鐘和數據恢復(clockdatarecovery,CDR)電路, 然後經過E/O轉換器, 輸入到外部光纖中。檢測器主要有基於GaN/AlGaN多量子阱和AlGaN薄膜上的高電子遷移率晶體管(HEMT)探測器。

光載THz波通信系統結構如圖6所示。圖6中,發送端在雙模鎖模自混頻實現毫米波上下變頻、調製。多個不同波長的DFB激光器用同一個外調製器進行調製, 頻率為fc/N, 經解復用後分別注入不同的FP激光器,通過注入鎖模產生具有不同中心波長的雙波長輸出。接收端在PD中相干混頻後直接輸出數據。

結語

近二十多年來，太赫茲科學技術已經取得了一些重要的研究成果，太赫茲技術的應用也在不斷擴展到波譜、成像、通信、雷達、天文、氣象、石油、化工、軍事、安全、國防、航空航天等各個領域，並正在取得不斷的突破和進步。太赫茲科學技術的研究任重道遠，太赫茲科學技術的發展前景遠大。

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