毫米波与太赫兹技术（三）

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、NH3、D2O、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GaSe、ZnGeP2、GaAs、GaP、LiNbO3 以及有机晶体DAST 等。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 和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 或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 和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MMIC、CMOS、SiGe 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。