基于共振隧穿二极管的近程太赫兹通信技术

摘 要

【关键词】 太赫兹通信；共振隧穿二极管；太赫兹源；太赫兹探测

0 引言

在过去的30年间，通信技术经历了从1G到5G商用阶段的快速崛起。无线通信领域对带宽的需求呈现显著增长态势，在每18个月的时间内翻一番多[1]。目前无线通信系统已能达到数十Gb/s的传输速率水平[2]。展望6G网络时代，在2019年之后各国纷纷开始重点布局6G技术研发工作，并积极抢占无线通信领域的领先地位。更高的传输速率要求更宽广的频谱资源支持[3]。因此在5G向6G过渡过程中需要引入更高频段的支持频率范围（0.1-10 THz），这种基于太赫兹频段的技术展现出优异性能特征：传输速率高、信息容量大、 GHz连续带宽宽、亚毫米级天线集成化、多频段耦合运行、抗干扰能力强且体积小巧等显著优势[2][3]。这些特性使其被誉为新一代无线革命的关键技术方案之一，在短距离高速无线接入以及空间受限场景中具有广阔的应用前景[4]。相比之下，在现有无线技术中太赫兹通信系统的应用研究仍面临较大局限性：其主要原因在于收发组件性能提升难度较大尤其是本地WLAN、WPAN以及室内短距离高速下载等应用场景中存在较大的应用潜力需求[4]。因此研发具备低温低功耗、高功率输出以及便于集成部署特点的固态太赫兹收发系统成为当前6G技术研发的重要方向之一

对于太赫兹发射技术而言，按照来源的不同将太赫兹发射技术划分为光学型和电子学型两大类[4-5]。如图1所示。其中光学型太赫兹发射模块主要采用量子级联激光器（QCL, Quantum Cascade Laser）[6]和单行载流子光探测器（UTC-PD, Unitraveling-Carrier Photo-Diode）[7]等核心技术。而电子学型 too 型 too 型 too 型 too 型 too 型 too 型 too 型 too 型 too 型 too 型 too 传输模块则集成了晶体管单片集成电路 （TMIC, Terahertz Monolithic Integrated Circuits ） [9], 共振隧穿二极管 （RTD, Resonant Tunneling Diode ） 直接发射链路 [10], 以及其它多种具体实现路径。相较于此，在 0.4 THz 频段以下的性能优势下 , 晶体管单片集成电路因其成熟的工艺技术 , 高集成度以及低成本的特点 , 更具竞争力 ; 而 RTD 则凭借其简洁的电路架构 , 高频段性能以及高效率的特点 , 在 0.4 THz 上方频段表现突出 。值得注意的是 , RTD 同时具备负微分电阻特性与 I-V 非线性特性 , 这使得它不仅能够实现室温下的高灵敏度直接探测 , 还可应用于相干探测 [11]. 因此基于上述特点 , RTD 已成为无线通信领域中的新兴技术方案。

本文起始部分详细阐述了光致偏振效应（RTD）及其相关太赫兹源、探测器和通信系统的运行机制，并对这些技术的最新研究进展进行了深入探讨。同时对这些技术的最新研究进展进行了深入探讨的基础上进一步分析了该通信技术面临的主要挑战及其未来发展方向。

1 RTD的基本原理

1.1 RTD器件的工作原理

RTD依赖于量子隧穿效应作为其基础工作原理，并由纳米级双势垒单势阱结构构成[12]。该结构如图2（a）所示位于两端n型重掺杂的发射极与集电极之间，在施加特定偏置电压下会发生隧道效应：当势阱中的分立能与发射端重掺费米能级对齐时开始发生电流增强过程（如图2（b）所示）。随着偏置电压增大直至达到导带底与禁带对齐点时隧道效应结束并形成峰值电流（如图2（c）所示）。此时电流随后减小并表现出负微分电阻特性；由于电子运动发生在飞秒时间尺度上基于负阻区域Ⅲ区与谐振回路的作用可实现太赫兹频段信号的有效输出；图2（c）中Ⅰ区与Ⅱ区呈现正阻非线性区域因此可利用整流效应直接探测太赫兹信号；此外在Ⅲ区通过自振荡混频技术可实现对该信号的相干探测[11]。RTD器件性能高度依赖所采用半导体材料种类目前国际研究主要集中在SiGaN与InP基GaAs体系[13-14][15]等材料体系上其中Si基材料因导带能差较大常用于小型化低功耗逻辑电路设计而GaN基RTD理论性能最优但由于其高缺陷率及强极化特性导致一致性问题阻碍了其用于太赫兹发射模块开发相比之下InP基GaAs体系在振荡频率预测上表现更为优异且外延生长工艺相对成熟已成为当前研究热点（如图2（a）所示）。

1.2 RTD太赫兹源工作原理

基于RTD的相关技术开发了一种太赫兹源电路原理图（如图3所示），该系统通过利用其负阻特性与传统共振电路拓扑结构相结合的方式构建完整的振荡回路。当施加偏压至RTD使其进入负微分电阻状态时，在此状态下RTD自身的电容特性和共振电路中的电感特性共同决定了输出太赫兹信号的基本频率特征；而系统的输出功率则主要取决于RTD上的负向导纳参数Gd以及与之串联的理想化电导参数G之间的相互作用关系，在特定匹配条件G=Gd/2时达到了最大值。当上述RTD基波信号源被集成到通信系统中作为发射端子时，在信息载波传输过程中通常会采用通断键控（OOK, ON–OFF Keying）或幅移键控（ASK, Amplitude Shift Keying）等经典的调制解调方法来实现基波信号的能量传递效率最大化。其中，在负阻区内的偏置电压调节方式是这两种调制技术的核心控制策略：对于通断键控方案而言，在负阻区边缘附近设置适当的偏置电压能够有效避免无信号状态下的振荡现象；而在高边沿矩形脉冲输入条件下则可获得最大的能量传输效率；而对于低边沿输入条件下的工作状态则表现为不活跃或能量传输能力显著下降的状态特点。对于幅移键控技术而言，则通过调节输入矩形脉冲信号的高度变化来优化系统的带宽性能以及降低误码率水平

1.3 RTD太赫兹探测器工作原理

基于RTD的太赫兹探测器电路原理图如图4所示

1.4 RTD太赫兹通信系统工作原理

基于RTD收发器的太赫兹通信系统原理示意图见图5所示。该系统的核心组件包括RTD太赫兹信号发射模块与接收模块。在发射端子中，通过脉冲信号产生器输出不同二进制调制信号序列，并通过T型偏置器（Bias-T）施加静态偏置电压至RTD发射模块。根据采用诸如OOK、ASK等的调制方法，系统可灵活配置RTD偏置电压位置，并配合可变衰减器调节脉冲信号幅度变化范围。当输入脉冲信号达到峰值时，则导致RTD工作于振荡状态；而当输入降至谷值时，则使RTD进入非振荡工作状态，在此状态下即可实现THz信号的有效调制与发射过程。在接收端子设计中，则需要通过优化接收模块与发送端子之间的距离配置及方向性设置来实现最大信号捕获能力。随后将探测输出的包络检波信号经前置放大器和限幅放大器处理后进行数据采集分析工作，最终完成信息传输任务

2 发展现状

遵循RTD的核心理论，在这一领域中不同研究团队通过改进器件性能参数、优化电路设计以及对系统架构进行针对性设计等手段，在相关领域（如RTD太赫兹源装置、探测器及通信系统）方面实现了重要突破，并在此过程中取得了显著进展。这些成果为其实际应用提供了可靠的技术支撑。

2.1 RTD太赫兹源发展现状

经过近二十年的发展,国外在RTD太赫兹源领域已取得了显著进展,目前主要研究单位包括日本东京工业大学、英国格拉斯哥大学以及日本佳能等,如图1所示 。其中,东京工业大学于2004年开始开展缝隙天线结构RTD太赫兹源的研发[17],随后通过优化RTD器件外延结构、天线及制备工艺,持续提升了其工作频率[18-22]。截至2017年,该单位已报道了一种单管固态器件在基波振荡频率下的最高工作频率为1.98 THz,输出功率小于0.1 μW[22]（图6(a)）。针对功率提升的技术路径,研究团队采取了优化外延结构以提升本征功率[20]、引入偏馈或开口谐振环天线结构以改善阻抗匹配[23-24],以及应用相干功率合成[25-26]等方式。当前基于89阵列单元实现的功率合成技术已在1 THz频段输出了约0.73 mW的功率（图6(b)）。格拉斯哥大学则在欧盟地平线计划iBROW项目的推动下,专注于≤0.3 THz频段的研究,采用基于CPW和微带无源电路架构开展相关探索[27]。截至报告日期,其研究成果已在该频段实现了约1 mW的输出功率（图6(c)）。此外,佳能公司近期发布了一款基于幂级数合成技术开发的RTD阵列化芯片产品,通过6×6阵元实现了约0.45 THz频段下的高密度输出（图6(d)）——这一成果标志着RTD技术向实用化与产业化方向迈进的重要一步,充分展现了其在太赫兹通信与成像等领域的巨大潜力

国内布局RTD太赫兹技术的研究机构主要包括中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心（简称中物院微太中心）、中国电子科技集团公司（简称中电科）所属的第十三研究所、第五十四研究所以及第五十五研究所等多家单位。其中，作为该领域的重要研究平台之一，中物院微太中心在2021年的IRMMW-THz国际会议上通过Keynote报告展示了其在1 THz频段的宽带可调频RTD振荡源技术[30]：不仅实现了1 THz范围内的连续可调功能，并且在0.7 THz频率下成功输出了45微瓦（μW）的高功率太赫兹信号；与此同时，中电科旗下相关研究所也取得了一系列突破性成果[31]。然而，在与国际顶尖研究机构相比时发现：无论是在技术实现层面还是在性能指标上（如最大工作频率及同频率下的输出功率），我国相关研究仍存在明显的技术差距

2.2 RTD太赫兹探测发展现状

注

国内在RTD太赫兹探测器方面的相关报道相对稀少。目前仅有中国人民解放军陆军工程大学完成了0.2 THz频段下的RTD探测器研究[34]。中物院微太中心则致力于探索RTD非线性特性提升路径，在基于共振隧穿物理过程构建了I-V解析模型分析方法的同时开发了能带调控技术，并据此设计出一种适用于小偏压条件下的高灵敏度RTD太赫兹探测器方案，在不减少负阻区发射功率的前提下实现了灵敏度较现有方案的重大突破，并可应用于RTD片上收发系统的技术开发[35]。

2.3 RTD太赫兹通信系统发展现状

自2011年以来, 国外对RTD无线通信系统的研发工作已取得显著进展[36] , 主要研究机构涵盖日本东京工业大学、大阪大学以及英国格拉斯哥大学等多个高校, 如表2所示. 在其中, 日本东京工业大学通过整合RTD发射与SBD接收模块成功构建了0.65 THz无线通信样机, 实现了高达44 Gbps的数据传输速率[37]. 此后, 该团队又通过引入极化（PDM）技术和多频（FDM）复用技术, 在0.49 THz及0.79 THz频段实现了单通道28 Gbps及合计56 Gbps的传输速率, 最大传输距离可达20 cm , 这一成果也是全球范围内频率最高的RTD通信系统报告[38]. 借鉴这一架构设计, 格拉斯哥大学进一步优化了RTD发射模块功率至1 mW , 并在0.278 THz频段实现了22 Gbps的数据传输速率, 同时将收发距离提升至80 cm [29] （如图7(a)所示）. 另外, 大阪 university基于RTD收发模块开发出了太赫兹无线通信系统[11 39], 实现了单信道最高达56 Gbps的数据传输速率 , 同时在7 cm的距离内完成了无误码率的4K视频实时传输实验验证（如图7(b)所示）. 相比之下, 我国在这方面的研究仍处于起步阶段 , 正在努力追赶世界先进水平

3 RTD太赫兹通信的发展趋势及挑战

从上述分析可以看出，在材料科学与电子技术领域的进步驱动下，在性能方面均有显著提升的RTD太赫兹源与探测器已在短距离通信实验中实现了经典的OOK或ASK调制架构下的高效应用。其可实现高达56 Gb/s的数据传输速率，并展示了支撑未来 sixth-generation（6G）网络及大规模超高速互连应用的重要潜力。该技术凭借其集成了芯片化设计、低功耗特性和高频率高效传输优势，在设备内部模块间的大容量通信以及便携式终端的近场超高速互连场景中展现出独特价值，并可有效解决20厘米范围内的大规模数据无线传输需求。佳能公司在此领域的持续布局不仅标志着RTD太赫兹芯片从实验室走向实际应用阶段，并将极大地推动技术创新与产品开发进程。值得注意的是，在这一领域中取得突破性进展的是其推出的新型6×6阵列芯片设计，在采用片上功率合成技术后显著提升了单机发射功率水平，并有望在未来10米范围内的点对点高速无线数据传输场景中得到广泛应用。例如，在全息通话、虚拟现实（VR）、增强现实（AR）以及元宇宙等新兴领域均可能见到其身影。

针对上述创新应用场景，RTD技术仍存在着以下挑战需要进一步攻克：

（1）提升RTD发射效率

无论是在便携终端应用中还是在片内/片间通信领域，并通过阵列合成来适应远距离通信需求的情况下

（2）提升RTD探测灵敏度

当前RTD探测器的研究投入相对较少，在探测灵敏度和等效噪声系数方面略显不足。然而，在理论上对相关技术进行深入研究后发现，在实际应用中若想显著提高其性能，则必须解决关键的技术难题。在器件层面同样面临着与RTD振荡源类似的精确建模问题；结合源模型构建的过程中，探索出适用于探测器分析的物理等效模型。此外，在理论上对相关技术进行深入研究后发现，在实际应用中若想显著提高其性能，则必须解决关键的技术难题；进一步探讨如何通过能带工程优化RTD正阻区和负阻区的非线性特性，则是提升探测灵敏度的关键课题之一。

（3）丰富RTD通信机制

现有RTD太赫兹通信系统主要基于OOK或ASK技术框架，在单通道数据传输方面仍面临速度瓶颈（约在数十Gb/s水平）。随着频分复用、极化复用以及轨道角动量等多种先进技术的相继应用与融合创新，在信道容量和数据传输效率方面均有显著提升潜力（有望突破百Gb/s甚至Tb/s量级）。

4 结束语

在6G时代的发展进程中，太赫兹通信技术扮演着关键性基础角色。它不仅为未来海量数据的超高速、大带宽传输提供解决方案，还凭借其微型化、低功耗等优势，在无线网络架构中占据重要地位。共振隧穿二极管作为该领域的重要突破性进展，在具备独特负微分电阻特性的基础上实现了高效的单片集成通信系统设计。本文系统阐述了RTD（电阻温度传感器）基元型太赫兹源的工作原理及其在探测器层面的应用现状，并深入分析了当前相关技术面临的性能瓶颈与应用场景限制问题。通过对现有研究进展的总结和未来发展趋势的探讨预测，在推动实用化应用的同时为新型无线网络架构的设计与优化提供了有益参考思路。