共振隧穿二极管THz辐射源研究进展

太赫兹技术被称为“改变未来世界十大技术之一”,对基础科学研究、国民经济发展和国防建设具有重要意义,尤其在未来6G通信方面举足轻重。太赫兹波源是整个太赫兹技术研究的基础,也是太赫兹应用系统的核心部件。近年来,共振隧穿二极管(RTD)型太赫兹波源因体积小,质量轻,易于集成,室温工作,功耗低等特点受到广泛关注,为太赫兹波推广应用开辟了新的途径。通过文献分析,本文从器件材料技术、主要工艺及器件性能等方面对InP基与GaN基RTD太赫兹振荡器的发展进行评述,并探讨了InP基与GaN基RTD太赫兹振荡器件的研究方向。     

InP基RTD太赫兹振荡源及其应用研究进展

紧凑和相干的太赫兹源是太赫兹应用的关键组成,共振隧穿二极管(RTD)是目前振荡频率最高的电子学器件,RTD太赫兹振荡源具有结构紧凑、功耗低、室温工作、有一定输出功率、易集成、覆盖频率较宽等优点。InP基RTD太赫兹振荡源在600 GHz左右的频段内输出功率可达百微瓦量级,可见报道的最高振荡频率为1.92 THz,输出功率0.4 μW。RTD振荡源的输出功率可以通过偏置电压进行直接调制,使得其在高容量短距离的太赫兹通信系统中具有很大的优势。目前,InP基RTD太赫兹振荡源成为太赫兹源领域的研究热点。     

基于共振隧穿二极管的近程太赫兹通信技术

太赫兹通信技术是实现6G愿景的关键底层技术之一，针对应用场景选择不同技术路线定制收发系统将是其发展趋势。RTD太赫兹收发模块具有室温、高频率、高灵敏度、易集成等特点，成为太赫兹通信技术领域的新星。通过介绍RTD太赫兹源、探测器及通信系统的工作原理和现状，分析了目前面临的效率及灵敏度提升挑战，并从器件和电路层面探讨和展望了可能解决方案和技术方向，为推动RTD太赫兹通信实用化提出思考。     

采用CMOS太赫兹波探测器的成像系统

太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求，设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器（ADC）、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管，探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器（ADC）采集并转换为数字信号，该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板（PCB）上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术，并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。     

微型化太赫兹集成器件的前沿技术进展

针对国际上太赫兹器件技术进展予以概括和分析,提炼出共振隧穿二极管、单向载流子传输光电二极管2种可行的小型化器件方案。在材料生长和器件结构方面分析了太赫兹波的产生原理和难点,在系统应用方面解释了短距离高速通信的实用案例。目前,采用共振隧穿二极管已实现2.5 Gbps速率的300 GHz无线通信演示实验,采用单向载流子传输光电二极管在该频点下实现了12.5 Gbps的无线通信实验。     

太赫兹波探测技术的研究进展

太赫兹波具有优越的特性,使其在物理、化学、生物医学、天文学、材料科学和环境科学等方面有重要的学术和应用价值,以及对国民经济发展、国家安全、反恐和新一代信息科学技术有重大的推动作用,作为太赫兹技术应用的关键器件之一的太赫兹探测器同样到了迅猛的发展。文章介绍了太赫兹探测技术的原理及其应用,并在此基础上分析了太赫兹探测器的最新进展、性能和发展趋势。     

蝶形天线增强的共振隧穿二极管太赫兹探测器研究

采用分子束外延技术制备了基于共振隧穿二极管的探测器样品。为提高探测响应度,探测器采用蝶形天线增强太赫兹电场强度,并以0.2THz入射频率为参考对天线结构进行设计。测试采用输出功率为20 mW的太赫兹源,室温下在有无太赫兹波辐照时分别进行电流-电压(I-V)测试,峰值电压为1.398V。对比最大电流值之差,计算得到探测器响应度为20mA·W~(-1),噪声等效功率为15nW·Hz~(-0.5),并通过测量探测器对不同角度入射太赫兹波的响应,验证了天线对太赫兹电场的增强作用。     

利用共振隧穿器件制作太赫兹波源

太赫兹波是振荡频率在100GHz～10THz范围的电磁波,利用共振隧穿器件高频高速的特点,适宜制作此波段的振荡源器件。指出与其他类型的太赫兹源器件相比,共振隧穿型太赫兹波源器件具有体积小、重量轻、便于与控制电路集成以及易于进行调制等特点;此外,还适宜用Si透镜进行功率合成,增大其总发射功率。给出几种重要太赫兹共振隧穿器件的结构、制造工艺和器件性能,作为太赫兹技术领域的研究人员选择太赫兹波源器件的参考。     

太赫兹探测技术在遥感应用中的研究进展

近年来,世界各国都对太赫兹科学给予了很大的关注,相应的太赫兹辐射源和探测器的研究和发展速度加快,太赫兹技术应用也取得了实质的进展,特别是太赫兹波在空间天文观测和大气遥感中的应用。介绍了近些年发展起来的几种探测太赫兹电磁波的新技术及目前发射或建立的多种亚毫米波、太赫兹波探测系统在天文观测和大气遥感中的具体应用,显示了太赫兹波探测技术在遥感领域中的巨大应用前景。     

从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势

太赫兹技术是当前极具发展潜力的热点技术。太赫兹源、太赫兹探测器以及太赫兹应用研究是太赫兹技术的三大研究重点。本文分析了太赫兹技术在光谱探测、成像探测和通讯应用方面的需求情况,介绍了现有主要的太赫兹源产生方法和特点,以及太赫兹探测器的分类和常见太赫兹探测器,并以其相邻谱段红外探测器的发展历程以及太赫兹探测器的发展现状为参照,从光子学的角度分析了太赫兹探测器的发展趋势以及可能面临的技术困难。     

基于石墨烯材料的太赫兹波探测器研究进展

太赫兹波具有瞬态性、宽带性、穿透性和低能性等一系列独特性质,使其在材料研究、信息传递、环境检测、国防安全、医疗服务等方面展现了非常广阔的应用前景。作为该领域应用的关键,太赫兹探测器得到科研人员极大的重视。一般来讲,探测器的性能很大程度上依赖于基质材料的特性。石墨烯具有2个非常重要的优势,一是石墨烯具有线性能带结构,使得能够吸收太赫兹波;二是石墨烯具有超高载流子迁移率,能够进行超快探测。因此,石墨烯基有望成为太赫兹频段新一代高性能探测器的基质材料。详细综述了近几年关于石墨烯基太赫兹探测器的发展状况。     

Room-Temperature Oscillation of Resonant Tunneling Diodes close to 2 THz and Their Functions for Various Applications

Compact and coherent source is a key component for various applications of the terahertz (THz) wave. We report on our recent results of THz oscillators using resonant tunneling diodes (RTDs). To achieve high-frequency oscillation, the electron delay time of RTD was reduced with a narrow quantum well and an optimized collector spacer thickness. Conduction loss at the air bridge connecting RTD and slot antenna, which works as a resonator and a radiator, was also reduced. By these structures, a fundamental oscillation up to 1.92 THz was obtained at room temperature. Theoretical calculation shows that an oscillation over 2 THz is further expected by improved structures of RTD and antenna. Using the offset slot antenna and two-element array configuration, high output power of 0.61 mW was obtained at 620 GHz. A direct intensity modulation of RTD oscillators up to 30 GHz, which is useful for high-speed wireless data transmission, was demonstrated. By the integration of a varactor diode, wide frequency sweep of 580–700 GHz in a single device and 580–900 GHz in a four-element array were also demonstrated. This result expands possible applications of RTD oscillators.     

毫米波太赫兹集成电路与工艺

近年来,毫米波已逐渐成为5G/6G移动通信、卫星通信、下一代无线互联网、智慧交通、制导、射电天文等重大工程应用领域的核心支撑技术,太赫兹也逐渐成为研究热点。毫米波太赫兹集成电路(芯片)又是推动各种毫米波太赫兹应用系统快速演进的关键。文章对毫米波太赫兹技术的一些重要应用领域和毫米波太赫兹集成电路的研究进展及相关工艺进行了简要综述,分析了不同工艺下芯片的性能特点及其合适的应用场景。     

高速无线通信技术研究综述

随着多个领域对无线通信的速率要求越来越高,从几百Mbps到几十Gbps,高速无线通信成为通信技术的一个前沿研究热点,并取得了重要的研究进展。详细介绍了微波毫米波通信系统、光通信系统和太赫兹通信系统3类主要的高速无线通信系统各自的研究现状及取得的成果,分析了它们采用的技术路线,并比较了各系统的优缺点,其中重点关注了它们各自采用的调制解调方式,最后展望了高速无线通信技术进一步的研究方向。     

Spectral Narrowing of a Varactor-Integrated Resonant-Tunneling-Diode Terahertz Oscillator by Phase-Locked Loop

Spectral narrowing of a resonant-tunneling-diode (RTD) terahertz oscillator, which is useful for various applications of terahertz frequency range, such as an accurate gas spectroscopy, a frequency reference in various communication systems, etc., was achieved with a phase-locked loop system. The oscillator is composed of an RTD, a slot antenna, and a varactor diode for electrical frequency tuning. The output of the RTD oscillating at 610 GHz was down-converted to 400 MHz by a heterodyne detection. The phase noise was transformed to amplitude noise by a balanced mixer and fed back into the varactor diode. The loop filter for a stable operation is discussed. The spectral linewidth of 18.6 MHz in free-running operation was reduced to less than 1 Hz by the feedback.     

太赫兹新型探测器的研究进展及应用

太赫兹波由于其独特的光学和电学性质,在物理学、生物学、公共安全检查、局域通信、信息安全、环境监测、无损检测和国防科技等民用或军事领域都有着广阔的应用前景。太赫兹探测器作为太赫兹领域的核心器件,在太赫兹系统中扮演着重要角色。因此太赫兹探测器的性能,决定了太赫兹系统的应用市场。近年来,太赫兹探测器的发展已取得突破性的成果,但是太赫兹探测器还存在着一些普遍的问题,制冷的太赫兹探测器虽然有响应速率快和噪声等效功率低等优点,但是其紧凑性不好,并且成本较高。室温可工作的太赫兹探测器虽然不需要制冷环境,但是噪声等效功率偏大,灵敏度也不高。该综述从太赫兹探测器的制备材料和器件形式等方面,阐述了太赫兹探测器的发展现状及其应用领域。     

太赫兹无线和有线融合通信技术的研究与展望

随着5G的移动互联及物联网相交织等新型业务的蓬勃发展,对未来通信系统传输容量、传输速度以及误码率等要求愈来愈高。介于毫米波与远红外光之间的太赫兹频段兼有微波和光波的特性,具有低量子能量、大带宽、良好的穿透性。近年来太赫兹通信系统成为研究热点之一,但太赫兹无线通信存在视距传播以及较大路径损耗缺点,太赫兹无线和有线融合传输则兼具两者优点。本文分析了光子太赫兹信号产生、光子太赫兹无线链路传输和光子太赫兹光纤链路传输过程中涉及的器件和技术,重点介绍了太赫兹有线传输的研究现状,并通过基于强度调制直接检测实现1.485 GBaud 350 GHz的1 m太赫兹光纤有线实时传输视频实验,展现了太赫兹有线传输巨大的发展潜力。     

太赫兹高速无线通信：体制、技术与验证系统

对太赫兹高速无线通信的国内外现状和发展趋势进行了全面的综述与分析。首先介绍了太赫兹通信的特点、频段和调制体制。在此基础上详细讨论了太赫兹无线通信的关键技术,包括太赫兹产生和功率放大技术、太赫兹接收检测技术、太赫兹调制解调技术、太赫兹传输技术、太赫兹高速通信数据流和网络协议技术、太赫兹集成微系统技术;然后重点介绍了日本、德国、美国和中国的几个典型的太赫兹通信验证系统;最后对太赫兹高速无线通信的应用和发展进行了展望。     

基于THz QCL 和THz QWP 的数字通信演示系统

随着无线通信速率需求的增加和材料生长、器件工艺制作水平的提高,太赫兹（THz）通信已成为未来高速无线通信系统发展的一个重要方向。介绍了太赫兹通信的特点以及国际上太赫兹通信系统的发展现状,并报导了一种利用太赫兹量子级联激光器（THz QCL）作为发射源,太赫兹量子阱探测器（THz QWP）作为接收器的太赫兹数字通信演示系统。该系统采用On-Off-Key（OOK）调制和直接强度检测方式,通信频点为3.9 THz,通信距离为2.2 m,传输速率可达1 Mbps 以上。最后探讨了该系统的带宽限制因素及其在通信速率方面的潜力。