太赫兹芯片是什么原理_太赫兹技术及其应用详解 - 全文

太赫兹研究的主要工作集中在频率范围0.1至10太赫兹（THz）。这一频段覆盖范围广且具有特殊性。起初被称为"THz Gap"（太赫兹鸿沟）区域，在电子学领域的毫米波频段范围内存在重叠区域；而其高频部分则与光学领域的远红外频谱（波长在0.03至1.0毫米之间）存在交集。这一特殊的频谱间隙曾被认为是早期研究领域的一个空白点；但随着研究深入发展起来的重要性逐渐显现出来，并已在社会经济活动及国家安全多个关键领域获得广泛应用。该特性使其具备广泛的应用潜力；具体而言包括生物成像技术、快速检测方法、高速通信网络以及现代雷达系统等方面的应用

自然界中存在大量生物大分子其振动与旋转频率处于太赫兹频段区间为此提供了一种可靠的检测手段该频段的光子能量相对较低在探测过程中不会对探测体造成损伤具有良好的无损检测特性表现出优异的穿透性能在介质材料领域具有重要价值因此能够有效用于探测隐藏物体其典型脉冲宽度通常在皮秒数量级能够生成高信噪比的THz时域光谱信号值得注意的是该频段覆盖极为广泛

相较于毫米波技术而言， 太赫兹技术的研究正处在一个探索性阶段。其研究领域主要包括三个核心部分：首先是太赫兹波段的产生机制与传输特性研究；其次是基于该频率范围的信号处理技术和检测方法开发；最后是相关元器件的设计与优化工作。 在具体实施层面，则可分为两类基本组件：一类是用于实现信号传输的关键设备；另一类则是起到放大与调制功能的核心装置。 具体而言，在信号传输环节主要包括了包括但不仅限于太赫兹传输线、滤波器、耦合器以及天线等多种组件；而在信号处理方面则包含了倍频器、混频器以及检波器等多个关键模块；最后在系统收效环节则涉及到了放大器与振荡器等多个辅助设备的集成应用。

1、太赫兹源

随着太赫兹波发生器技术的进步，在太赫兹源研究领域已取得诸多具有重要意义的进展

1.1 非相干热辐射源

非相干热辐射源在达到热平衡时将吸收的热能转化为可见光能量，并产生连续的光谱分布。 典型实例包括日常生活中常见的太阳等天然光源以及白炽灯等传统照明设备。 由于其发射的微波频段的能量输出较为有限，在实际应用领域中存在较大的技术瓶颈

1.2 宽带太赫兹辐射源

宽带太赫兹辐射源主要用于光谱系统, 主要由周期在几十到几百个飞秒范围内的脉冲产生, 在频谱中具有高达几十太赫兹的超宽频谱分量. 其产生方式包括多种方法.

光导天线：通过光照引发载流子运动，在电场力推动下加速运行，并导致表面积分时电流形成从而发射出相应的太赫兹电磁波。其表现出较高的功率输出特征。近年来国内外学者针对光导天线实现宽带太赫兹波的生成进行了广泛深入的研究。

b) 光整流法：基于非线性光整流效应原理设计的一种技术手段是通过诱导两种不同频率的光束或单一高强度单色光在介质中传播时产生相位差调制或同相调制的方式实现信号处理功能。这种技术不仅能够有效实现太赫兹超宽带输出特性（即信号覆盖范围宽达太赫兹频段），而且由于采用了高效的振荡机制，在保证输出性能的同时实现了较大的能量转换效率提升。因此，在这一技术基础上发展起来的太赫兹辐射源取得了显著的进步

c) 空气等离子法： 该方法通过高能量激光对空气分子进行电离作用而实现太赫兹波的产生。

半导体表面： 可被归纳为基于半导体表面的太赫兹辐射源的工作原理的主要方面包括表面电场效应以及光生电荷分离效应两个基本环节。对于具有较大禁带宽度的半导体材料而言，在其表面会出现表态现象：由于表面费米能级与内部存在差异性而导致形成表层电场。在此表层电场作用下，在激光激发下产生的载流子会形成短暂电流进而导致太赫兹辐射的发生。而对于具有较窄禁带宽度的半导体材料而言，则因为其吸收系数较高会在其表面积累大量载流子：其中电子和空穴在向内扩散的过程中因正负电荷分离而形成光生电荷分离场从而发射出太赫兹波这种机制具有操作简便的优势但所获得的辐射功率相对较低。

1.3 窄带太赫兹连续波源

窄带太赫兹辐射源旨在产生连续的线宽极窄的太赫兹波。以下是一些常见的方法：谐振回路技术、电荷采样的方法以及电荷反馈机制。

通过电子学器件进行振荡器的设计，并特别强调以亚毫米波振荡器为基础优化工作频率，从而实现适用于太赫兹频段的应用。
正因为如此，
目前大部分报道集中在较低频段的太赫兹波。
然而，
在此基础之上通过倍频技术实现了接近甚至超过1THz频率的 too GHz 波。

b) 太赫兹量子级联激光器（THz-QCL）作为一种相干光源，在导带子带电子能态间跃迁及声子共振辅助隧道效应下实现了粒子数反转过程。随着量子级联激光器的快速发展, 它可用于研究微观尺度物质运动中的各种现象, 包括电子微观输运过程中的各种动态行为, 纳米光子学领域的基本机制等。同时因其结构紧凑, 其实现了多种领域的显著应用潜力, 包括天体物理与大气科学领域的研究, 空间通信技术的发展, 做精密光谱分析以及安全检测等多个方面。

基于磁场中运动的相对论电子束的能量转换装置能够进而产生激光。该装置显著特点包括高强度与高度相干性。得益于这种连续性特点，在这种设计下可以调节至任意波长的辐射波长。特别适合作为太赫兹辐射源运用。然而自由电子激光器的主要缺点在于耗能巨大体积庞大且成本高昂因此这种先进物理工具基本只能局限在实验室环境下应用

光泵式太赫兹激光器利用其特性，在不同气体环境下表现出良好的性能。
该装置通过激发作用，在分子能级间建立动态平衡，并诱导粒子数量发生逆转。
在实验研究中选择的主要气体种类包括氟甲烷(CH3F)、氨(NH3)、重水(D2O)以及甲醇(CH3OH)等。

差频太赫兹辐射源：差频太赫兹辐射源主要基于非线性晶体中的差频效应生成单模宽禁带太赫兹波。其中，在这种技术方案下需使用两束频率不同的激光通过特定角度照射至非线性晶体上例如采用GaSe ZnGeP2 GaAs GaP LiNbO3等无机晶体以及DAST等有机型晶体作为介质实现目标。其频率特性可直接由泵浦光波长决定便于调节从而实现精准调谐功能

光参量法： 光参量法是一种利用泵浦激光照射到晶体上以产生特定光学信号的技术手段。 泵浦激光通过激发作用促使晶体释放出具有独特频率特性的斯托克斯波长的光线，并同时生成一个称为电磁耦合振荡器的物理实体。 在 pump 照射下（即 pump 激发下），产生的电磁耦合振荡器会经历受激拉曼散射现象。 这种过程最终实现了太赫兹频谱范围内的辐射。

2、 太赫兹传输

因为太赫兹波在大气中的衰减相对较大, 其传输结构对于研究和应用至关重要. 对不同传输结构的损耗与色散特性的研究, 已逐渐成为当前太赫兹领域的重要研究方向. 各国科研人员都在致力于寻求既低损耗又低色散且具备高功率容量的太赫兹传输结构, 也就是寻求适合传递太赫兹波的材料组合与架构. 在研究方法上, 主要依据太赫兹频段位于介于毫米波频段与光学频段之间的这一特点, 尝试将这些成熟应用于该频段的技术进行改进, 如采用圆形金属波导、平行平面型金属波导、线型金属波导等. 此外还涉及涂层介质型、全介质型等新型传播介质的设计与开发. 针对不同的应用场景, 可能需要选择适应不同需求的不同导体管型. 同时仍需寻求更低损耗与色散的 too high frequency transmission media and structures.

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

非相关探测技术即直读式探测方法是指借助于接收机将输入信号转换为电流或电压形式从而获取待测信号的幅值信息此一技术途径具有架构简洁覆盖广等优点特别适用于毫米波远红外线可见光等多个频段的感知任务其显著优势在于能够通过大规模阵列实现同时多通道感知然而由于缺乏相位信息这一方法难以实现超分辨率感知用于直读式的接收机一般可分为常温型与低温型两类其中常温型探测器通常在室温环境下使用其具有较高灵敏度但响应时间相对较长而低温状态下的接收器则能够在较低温度下获得更高灵敏度并实现较快响应速度

3.2 相干检测

与非相干检测不同，在信号处理方面借鉴了传统通信系统的超外差架构。该系统通过将高频信号转换至较低频的微波毫米波段进行处理，并结合传统方法提取信号幅度与相位信息。然而由于采用了变频技术使得系统架构变得更为复杂它依赖于混频器等核心组件具备较高的技术复杂度。值得注意的是由于能够捕获相位信息使得该系统在灵敏度与精确度方面均展现出显著优势