太赫茲技術發展現狀分析

20世紀80 年代以來，隨著一系列新技術、新材料的發展，特別是超快技術的發展，寬帶穩定脈衝太赫茲源逐漸普及，推動了太赫茲技術的迅速發展，並掀起一股太赫茲研究熱潮。2004 年，美國麻省理工學院評出了「改變未來世界的十大技術」，太赫茲技術是其中之一；2005 年，日本政府列出了「國家支柱十大重點戰略技術」，太赫茲技術名列榜首；歐洲、澳大利亞等國政府、研究機構、大學、企業紛紛投入太赫茲技術研發的熱潮中。

一、太赫茲技術概述

太赫茲波指頻率在0.1THz（1012Hz）~10THz範圍的電磁波（也有0.3~10THz 的說法），波長大概在0.03~3mm 範圍內，介於微波與紅外光之間。太赫茲波是20 世紀80 年代中後期才被正式命名的，此前統稱為遠紅外射線。

太赫茲波處於電子學與光子學的中間過渡區域，具有獨特的優勢：

（1）相比微波，太赫茲波的頻率高、帶寬大、波束髮散角小，可以承載更高頻率的調製信號，大幅提高通信速率、雷達解析度。

（2）相比紅外光，太赫茲波的透射性強，對大部分乾燥、非金屬、非極性材料都有較好的穿透能力，可進行透視成像、無損探測，以及在較惡劣氣象條件下成像等。

（3）頻譜「指紋」特性。大多數分子的分子振動和轉動頻率都處在太赫茲頻段，因此利用太赫茲波與分子共振，可以有效識別不同的物質組成和含量，太赫茲波在危險品探測、物質識別、醫學檢測等領域具有一定應用潛力。

（4）光子能量低，生物兼容性好。1THz 電磁波的光子能量為4.14meV，遠低於可見光、紫外光，是X 射線的數百萬分之一，不會產生電離輻射。低功率太赫茲波可直接照射生物組織而不產生傷害。

二、太赫茲基礎技術發展現狀

太赫茲基礎技術主要研究如何產生、探測和控制太赫茲波，包括產生太赫茲波的太赫茲源、探測太赫茲波的各類探測器、傳輸/ 調製太赫茲的各種器件等。

（一）太赫茲源

目前太赫茲源主要有量子級聯雷射器、真空太赫茲器件、加速器太赫茲源等。

1. 量子級聯雷射器

量子級聯雷射器是利用Ⅲ–V族超晶格材料開發的緊湊型半導體光源，最初用於產生中紅外波，自2002 年起，開始應用於太赫茲頻段。目前，量子級聯雷射器在1~5THz 範圍內具有優異的性能，也是唯一在該頻段具有高輸出功率的緊湊型光源，可產生功率大於1W 的雷射，用於遠場傳輸、頻率梳和脈衝發射等。儘管量子級聯雷射器的運行需要低溫冷卻，但可以用低成本的斯特林冷卻器實現。

2. 真空太赫茲器件

真空太赫茲器件可將儲存的電能轉化為加速電子束的動能，藉助交互區的電磁波導或空腔將動能轉換成電磁場能，主要類型包括行波管、速調管、磁控管和返波管等。由於功率密度的限制，真空太赫茲器件目前主要在0.22~1.0THz 工作，功率為1MW~10mW。未來瓦級真空太赫茲器件的發展趨勢為能夠克服大氣衰減，穿透霧、灰塵或其他氣溶膠，實現千兆行動網路通信、高解析度雷達成像、非侵入性醫療診斷、材料表徵、射電天文學研究等。

3. 加速器太赫茲輻射源

加速器太赫茲輻射源主要利用電場或磁場作用於加速器產生的相對論電子，產生波長在真空紫外到X 射線頻段的電磁波。加速器輻射源的主要優點是具有獨特的光譜亮度、功率、極值場和脈衝能量。加速器太赫茲源已在全球範圍內得到廣泛使用，最常用的是同步紅外輻射加速器和自由電子雷射器。同步紅外輻射加速器是有限光譜測量和近場超寬帶顯微鏡的主要光源，而自由電子雷射器主要用於化學、生命科學等領域，如研究稀釋系統或單個分子的紅外光譜。

（二）太赫茲成像探測器

太赫茲成像探測器包括單探測器、陣列和焦平面陣列成像探測器等。成像器件的整體性能由光學特性（如光源功率、系統損耗和探測器靈敏度）決定。無論採用哪種成像方法，所有太赫茲成像系統都嚴重依賴太赫茲源的功率和探測器的響應度。

時域成像系統主要使用光電導開關或硒化鋅晶體等對短脈衝進行高速整流，該成像系統具有較高的頻率帶寬，但其太赫茲源功率一般較低，雖可用同步檢測予以克服，但總體上圖像採集時間比較長，需要進一步發展。

標量成像系統的構建相對簡單，但對太赫茲源的功率要求較高。對於1THz 以下的成像系統，可使用真空電子器件產生連續太赫茲波，如Gunn 振蕩器、返波管和二極體倍增源。而在中紅外波段，量子級聯雷射器具有優異的性能，但需要冷卻，並且只能發射脈衝。

太赫茲探測器的主要發展方向是改善噪聲等效功率、響應度，提高其集成潛力。

（三）光電導裝置

光電導開關是一種既可以生成寬帶太赫茲波，又可以檢測寬帶太赫茲波的裝置。20 世紀80 年代起，光電導開關就廣泛應用於太赫茲時域光譜測量中。經過多年發展，原始半導體矽– 藍寶石光電導開關已被低溫生長的砷化鎵（GaAs）替代，而銦鎵砷（InGaAs）和基於石墨烯的光電導開關正在快速發展，為太赫茲時域光譜測量提供低成本、可攜式、穩定可靠的超短脈衝源。目前，單個半導體納米粒子已用於製造光電導檢測器，有望使微米和納米電路與光學系統集成。當前基於光電導器件的太赫茲時域光譜系統的動態範圍已經達到90dB，典型頻譜覆蓋0.05THz、2~6THz 之間。

（四）無源太赫茲器件

對於無源太赫茲器件，太赫茲波導無需光學對準即可與太赫茲有源器件（太赫茲源、探測器等）集成，但損耗一般較大。用於太赫茲頻率的高性能波導由3 類材料製造：全金屬、金屬– 電介質和全電介質。金屬管波導已經存在了一個多世紀，但直到2016 年，國際標準化組織才同意金屬管波導在0.1THz 頻率以上運行，而IEEE P1785 工作組則提出了高達5THz 的標準。金屬– 電介質矩形/ 圓形波導的概念於1963 年提出，目前由低損耗電介質材料製成的波導，在0.15THz 時的損耗低至0.0037dB/m，由高損耗電介質材料製成的波導，在0.3THz 時的損耗低於1dB/m。全電介質波導雖然避免了趨膚效應損耗，但絕緣效果較差。

傳統的光學元件也可用於太赫茲頻段，但此頻段的器件性能遠低於傳統頻段的器件性能。例如，線柵偏振器是在太赫茲頻段工作的偏振器，但消光比較低，且元件成本高。近年來，已有使用異質材料製造太赫茲偏振器的相關研究，如液晶和碳納米管，其消光比可達50dB。波片是一種控制偏振的常用光學元件，最近，有研究利用堆疊波導結構製造了在2.0~3.1THz 工作的寬帶波片。濾波片是光譜應用的重要元件，金屬網濾波片已可用於毫米波段，正在向太赫茲頻段延伸。

三、太赫茲應用技術發展現狀

太赫茲應用技術的研究方向主要包括頻譜應用、成像應用、通信應用，這些應用在國防安全領域也有潛在應用價值。

（一）太赫茲頻譜應用

1. 時域頻譜測量

太赫茲時域頻譜技術是一種可同時獲取太赫茲脈衝與物質相互作用的電場強度和位相信息的技術。經處理後能夠精確地表徵樣品的光學、電學和介電特性隨太赫茲頻率變化的特徵。1988 年, 人類首次實現太赫茲時域頻譜測量，可測量樣品的透射率、折射率、吸收係數、介電常數等。20 世紀90 年代初，鎖模鈦藍寶石雷射器被用於太赫茲時域頻譜技術，探測器也改為低溫生長的砷化鎵器件。這種太赫茲時域頻譜系統可對直徑幾釐米的物體進行二維成像。在此基礎上，目前已經發展出太赫茲斷層掃描和太赫茲近場/ 暗場/ 單像素成像系統。

2. 表徵半導體和納米結構

在雷射源太赫茲時域頻譜技術誕生後，有研究將其用於半導體和納米結構的表徵。2000 年，有研究人員發表了利用太赫茲波以非接觸方式在非皮秒時間尺度上測量砷化鎵瞬態光電導率的成果。目前，由光電導天線製成的具有亞皮秒時間解析度的非接觸式探頭，已可在10~100fs 時間尺度內，表徵了砷化鎵中電子– 空穴等離子體生成光子後的庫侖掩蔽和等離子激元散射現象。

3. 無損檢測和分子光譜

太赫茲波對半導體、聚合物、陶瓷及其複合材料具有較強的穿透能力，可用於無接觸檢測，且太赫茲波光子能量低，不會對材料造成影響，這種測量是無損的。在工業和科學研究領域，使用太赫茲光譜可以在遠場獲得數百微米級空間解析度的圖像，探究物體內部結構。太赫茲時域光譜檢測已經應用在電子、製藥、催化、食品、複合材料、藝術品保護及汽車等領域，實現了非破壞性檢測。

（二）太赫茲成像應用

1. 顯微成像

太赫茲頻帶是許多凝聚態物質的低能量激發能級對應頻帶，包括等離子激元、聲子、磁子和誘導能隙。利用時間分辨太赫茲顯微成像系統可以研究納米系統的瞬態行為。然而，太赫茲顯微成像系統的空間解析度有限，只能測量納米系統的整體複數電導率，需要建模分析單個納米結構、形狀的相關局部效應。

近期，具有單個相干光子靈敏度的超寬帶電光採樣技術開始用於近場太赫茲顯微鏡，將太赫茲光譜成像系統的空間解析度提高到亞納米粒子尺度。此外，太赫茲掃描隧道顯微鏡也取得了一定發展。這種顯微鏡兼具高空間解析度和超快速成像能力，在首次演示中，對大約2nm 尺度的納米結構進行了成像。

2. 生物成像

太赫茲波可與生物分子共振，並且幾乎不會損傷生物組織，實現活體成像。

太赫茲生物成像主要有兩方面應用：在分子水平，主要是利用太赫茲波激發生物分子振動，檢測分子動作；在生物組織水平，主要是利用生物組織和細胞的不同成分對太赫茲波的吸收率不同來進行組織或細胞成像。這種圖像的灰度變化反映了組織的不同介電特性，可用於分辨疾病或損傷組織。

3. 醫療診斷

太赫茲波在醫療診斷領域的應用是依靠不同含水量的組織對太赫茲波的吸收不同實現的。觀察人體組織的太赫茲透射圖像，並依據不同組織含水量的差別來分辨正常組織和病變組織。例如，英國TeraView 公司開發了一種可攜式液體太赫茲成像系統，被劍橋醫院皮膚科診所用於診斷皮膚癌。目前，太赫茲成像技術已經在乳腺癌、結腸癌、燒傷和角膜水化等領域獲得了驗證，並已開展工程設計。

（三）太赫茲通信應用

隨著世界範圍內無線數據業務呈指數級增長，60GHz 頻帶已經獲得各國重視，而對於更高容量的無線數據系統，研究人員正在研究太赫茲通信頻段（0.1~10THz）的可用帶寬。目前，已有研究展示了W 波段（75~95GHz）和100GHz以上頻段的太赫茲通信。利用直接檢測肖特基勢壘二極體，可在0.3THz 下實現48Gbit/s 的雙通道多輸入多輸出實時通信。近期，有研究利用下變頻技術在多頻帶亞太赫茲通信系統中實現了10048Gbit/s 的下行通信速率，以及1048Gbit/s 的上行通信速率。

（四）在國防安全領域的應用

太赫茲頻譜系統、成像系統、通信系統在國防安全領域也得到了廣泛應用。

在0.15THz 以上運行的成像系統可用於檢查點的篩選、情報收集、人體掃描等。太赫茲波可以被許多有機分子吸收及被導電材料反射，用低功率太赫茲波直接非接觸掃描人體，能發現人員隨身攜帶的隱藏違禁物品，如毒品、炸藥、槍械等，且不會對人體產生任何損傷。目前在0.15THz、0.34THz、0.68THz 頻帶已經獲得了大量成像結果，驗證了太赫茲安檢系統的可用性。歐洲隱藏物體實時成像團隊正在研發太赫茲成像安檢儀。

太赫茲波與磷化銦集成電路結合，可製造0.85THz 及以上的雷達、通信系統。目前，關注度較高的研究是使用0.23THz 雷達系統透過退化大氣環境進行成像，用於在燈火管制下著陸直升機，或飛機透過低空雲瞄準目標。此外，太赫茲波具有比微波更寬的頻譜、更高的時間檢測精度和解析度，可對隱身目標成像。常用雷達吸波隱身材料只能吸收較有限帶寬的電磁波，而太赫茲雷達的寬帶特性能夠使隱身吸波塗層失去作用。

此外，太赫茲波還可用於裝備的無損探測。例如，哥倫比亞號太空梭失事後，美國採用中心頻率為1THz 的太赫茲波對太空梭的絕熱泡沫層進行探測和成像，成功檢測出泡沫層內的缺陷。該技術在戰略飛彈、航空航天結構材料檢測和評估方面具有重要的應用價值，已被美國國家航空航天局（NASA）選擇為缺陷檢測技術之一。洛克希德· 馬丁公司也開發了太赫茲檢測系統，用以保障F-35 戰鬥機的生產質量。

四、DARPA在太赫茲領域的研究

太赫茲技術在發展早期就獲得了美軍關注，美國國防高級研究計劃局（DARPA）在 21 世紀初就開展了有關太赫茲的研究項目。美國陸軍、空軍、海軍也都資助了太赫茲技術研究。

（一）DARPA 的太赫茲研究項目

自 1999 年起，DARPA 就陸續安排了「太赫茲成像焦平面陣列技術」（TIFT，2003 年），亞毫米波焦平面成像技術（SWIFT，2004 年），高頻集成真空電子學（HiFIVE，2007 年），太赫茲電子學（THz Electronics，2008 年），「具有壓倒性能力的真空電子高功率放大器」（HAVOC，2016 年）等研究計劃，以此發展太赫茲基礎器件。

此外，DARPA 還在 2012 年推出視頻合成孔徑雷達（ViSAR）計劃，2014 年推出成像雷達先進掃描技術（ASTIR）計劃，發展太赫茲雷達應用技術。

在 2017 年 6 月 DARPA 微系統技術辦公室啟動的「電子復興計劃」中，面向大學的「聯合大學微電子學計劃」設立了 6 個研究中心，其中一中心為太赫茲與感知融合技術研究中心，主要研究射頻到太赫茲通信、分布式計算、認知計算、先進集成電路架構等技術。

（二）DARPA 在太赫茲領域的研究趨勢

通過梳理 2000—2020 財年 DARPA 的研發預算可以看出，目前 DARPA 在太赫茲領域的研究已經處於基本完成基礎原理、基礎器件探索，開始向應用基礎技術發展階段。

從研究內容來看，DARPA 早期開展的太赫茲應用技術研究主要是為了摸清應用所需要的基礎技術，而自 2004 財年開展的太赫茲電子學研究，曾歷經兩度改名，一直持續到 2015 財年，主要進行太赫茲源、探測器、成像原理等基礎技術的探索。

從研究成果來看，多個面向 太 赫 茲 器 件 的 項 目（SWIF、HiFIVE 等）基本完成了基礎器件的研究，獲得了較好的成果，目前，DARPA 在太赫茲器件領域的研究聚焦於大功率真空放大器。當前 DARPA 在太赫茲應用技術領域的研究還主要聚焦於概念驗證、性能指標分析的階段。整體上，DARPA 在太赫茲領域處於基本完成基礎技術探索研究，開始再一次進入應用研究階段，如 ASTIR 項目，見表 1。

表1 DARPA在太赫茲領域的研究情況

五、當前研究重點

（一）高性能太赫茲源、探測器和相關器件

從世界範圍內的太赫茲領域研究成果來看，目前高性能太赫茲源、探測器和相關器件依然是重要研究方向，也是阻礙太赫茲技術廣泛應用的最重要因素。目前，等離子體、石墨烯等新興技術已經開始用於太赫茲領域，對提升器件性能有較大幫助。

（二）太赫茲通信標準與演示系統

隨 著 5G 通信技術的快速發展，目前世界各國已經開始制定毫米波頻段（50~60GHz）的無線通信技術標準、通信規則等，下一步很可能將頻率進一步提升到太赫茲頻段。日本宣稱將在 2020 年東京奧運會時實現 100Gbit 太 赫茲高速通信；歐盟已將太赫茲通信列為了 6G 通信研究計劃；國際電信聯盟在 WRC-19 大會上設置議題 1.15，研究 0.275THz 頻譜 需 求， 建 立 0.275~0.450THz頻段範圍內的傳播模型，開展業務間電磁兼容分析， 確定候選頻段等。2019 年，世界無線電通信大會（WRC-19）最終批准了 275~296GHz、306~313GHz、318~333GHz 和356~450GHz 頻段共137GHz帶寬資源，可無限制條件地用於固定和陸地移動業務應用。這是國際電聯首次明確275GHz 以上太赫茲頻段地面有源無線電業務應用可用頻譜資源，並將有源業務的可用頻譜資源上限提升到 450GHz。

（三）太赫茲器件集成與製造技術

現有太赫茲應用系統採用的各種器件體積龐大，是阻礙太赫茲應用發展的重要因素，因此太赫茲器件集成與製造技術成為研究熱點。高度集成化的太赫茲系統可降低系統體積、質量、功耗，提高系統適用範圍。而低成本、與傳統CMOS 工藝兼容的製造技術，將使太赫茲器件的成本降低，進一步促進其廣泛應用。

來源：本文刊登於《軍民兩用技術與產品》2020年第1、2期

點擊在看

送你小花花