[翻译] IEEE 白皮书《2023 年版 6G 太赫兹技术基础》--第 4 章 太赫兹产生的电子和光子技术分析
4.1 从电子学到光子学
4.2 消除 “太赫兹间隙 ”
在通信中，0.1THz ~ 10THz 的频率范围仍然是一个待开发领域。然而，这一领域的研究最近引起了越来越多的关注，因为这些高载波频率与前所未有的信道容量有关。
在过去很长一段时间里，很难产生密集的、定向的太赫兹辐射，太赫兹范围被认为是电磁频谱的最终的前沿领域。主要的技术限制即所谓的 “太赫兹间隙” ，如 图9 所示，绘制了各种电子和光子器件的太赫兹发射功率与频率的函数关系，将在后面篇幅进行更详细的讨论。显然，太赫兹频谱在 0.1THz ~ 10THz 的范围内，功率呈下降趋势。
主要是由于损耗过大和载流子速度有限，对于电子设备来说太赫兹频率太高了。另一方面，由于缺乏具有足够小的带隙材料，它们对于光子器件来说太低了（见第 4.4章）。
尽管在电子器件（例如 高迁移率半导体材料） 和 光学元件（例如 具有低温冷却的量子级联激光器）方面已经做出了重大努力，但太赫兹区域周围的可用功率仍然远低于其他频谱区域。类似的趋势也发生在信号检测中，这样的差距使最近二十年的频谱发展难以满足当今世界与日俱增的需求。
图9：太赫兹发射功率与频率的关系
实线表示传统的太赫兹源：IMPATT（碰撞电离雪崩渡越时间二极管），MMIC（微波单片集成电路），TUNNET（隧穿渡越时间二极管）。
椭圆表示最近开发的太赫兹源：THz-QCL（量子级联激光器），RTD（谐振隧穿二极管），UTC-PD（单行载流子光电二极管）。
4.3 电子学和光子学交界的太赫兹辐射源
产生太赫兹（THz）辐射有三种主要方法（图10）。下面几节将更详细地举例说明。
电子源
随着各种半导体材料组件的改进（参见 第5章），使用电子源的“经典”方法在过去几年中发生了巨大的变化。
这些源包括 倍频链（上变频）、谐振隧穿二极管（RTD）、晶体管、二极管。其优点是元件非常紧凑、可以在室温下工作，但在带宽和效率上有一定的限制。然而，电子源在太赫兹频率下相对低效，提供的频率调谐相当有限。
直接生成太赫兹波：QCL
用光源直接产生太赫兹波的方法包括：非常优雅的 量子级联激光器（QCL）方法、非线性光学方法（光学参量过程）、分子激光器方法（低效且笨重）。虽然利用 量子级联激光器（QCL）可以达到相当合理的功率水平，但效率仍然有限，并且通常必须在低温下工作。
间接产生太赫兹波：光电子器件
近年来，0.5THz ~10THz 之间的频率也被列入激光技术的领域。光电子（光子）方法要么使用 可调谐二极管激光器，要么使用 飞秒激光器。光混合器、光导开关或非线性晶体把近红外激光转换成 光谱分辨太赫兹波 或 宽带太赫兹波。
在过去几年中，使用超快光电二极管和光电导体从光频区进行“下变频”引起广泛关注。主要优点是可在大范围内调谐、可在室温操作，可以重复使用为光纤通信已有的成熟技术。在功率上有较大突破，但能效上有诸多限制。
图10：产生太赫兹辐射的三种主要方法
请注意，1THz 的能量当量对应于 49k，由于在较高温度下的弛豫过程，某些技术（如：量子级联激光器 QCL）必须使用低温冷却。
4.4上变频：电子太赫兹波的产生与分析
自 1933年 成立以来，罗德与施瓦茨公司的核心竞争力一直是为 所有相关电子/微电子领域 开发和制造先进的射频测试和测量设备。
为了支持多种 6G 研究活动，包括半导体行业在 毫米波、太赫兹区域器件、电路特性的研究，罗德与施瓦茨 提供了广泛的开发和分析测量工具。以下各节给出了一些示例 :
使用 变频器 支持高达 1.1THz 频率的矢量网络分析仪。
使用 外部谐波混频器（R&S®FS-Zxx 系列）为信号和频谱分析仪提供扩展频率范围支持，例如 D频段（110GHz ~ 170GHz）和 其他高达 500GHz 的频段 。
使用 倍频器（R&S®SMZ系列）为信号发生器提供扩展频率高达 170GHz 的支持 。
使用 发射和接收转换器，生成和分析 D波段（110GHz ~ 170GHz）的信号。
使用 电波暗室在 D波段（110GHz ~ 170GHz）测量天线辐射性能。
4.4.1 具有计量级精度的基于矢量网络分析仪的太赫兹测量
几GHz ~ 67GHz 频率的测量是网络分析仪标准的一部分，但毫米波和太赫兹范围的测试要求更高，它们需要外部频率转换器（R&S®ZC1100 示波器可以覆盖高达 1.1THz）。这类扩频器上变频刺激信号，下变频相应信号，以表征在频率下操作的设备在太赫兹范围内。
有源元件的晶圆上表征
为了表征线性和非线性范围内的有源器件，需要在探头尖端定义输入功率。由于无法在晶圆上进行功率校准，因此需要校准波导输出处的功率，并在校准过程中考虑 额外波导、1mm 电缆和探头尖端的损耗。对于功率扫描和压缩点测量， R&S®ZNA 集成的校准程序能够补偿毫米波转换器的非线性，以实现最大的动态测量范围和复现性。通常使用 R&S®ZNA 在较低频率测量有源组件，与高频下使用系统集成的毫米波转换器进行计量级精度测量同样方便。
图11：太赫兹范围内的测量
使用 R&S®ZNA 矢量网络分析仪，在太赫兹范围内使用 毫米波转换器进行测量的配置与在较低频率范围内一样方便（左图）。MPI TS150-THZ 集成探针系统，R&S®ZNA 配置了显微镜，用于高达 330GHz 的晶圆级测量， GGB Industries Inc. 波导探头直接安装在毫米波 R&S®ZC330 转换器的输出端（右图）。
为了演示系统性能，测量了德国的 弗劳恩霍夫应用固体物理研究所 IAF 的四级 325GHz MMIC 低噪声放大器（LNA）（见 图12）。标量增益 |S21| 以 ±95% 置信区间显示。
4.4.2 D波段宽带信号的产生和分析
左图所示为 R&S®FE170ST 发射机（TX）前端，它将 R&S®SMW200A 矢量信号发生器的调制信号（例如 潜在的 6G 波形）上变频到 110GHz ~ 170GHz 的范围。右边是对应的 R&S®FE170SR 接收器（RX）前端，它将信号下变频并将中频（IF）传输到 R&S®FSW 信号和频谱分析仪。解调后的信号表现出优异的 矢量幅度误差（EVM）性能，并强展示出生成信号极低相位噪声。
MMIC 设计
下图展示了由 罗德与施瓦茨公司 及其合作伙伴设计的两个用于测试与测量设备的 MMIC 示例。
所示的 40GHz ~ 70GHz 放大器约为 4mm × 3mm，反映了 罗德与施瓦茨公司 最新 R&S®SMA100B 模拟信号发生器中这种电路的标准尺寸。该仪器在微波范围内提供最高的商用输出功率。
Radiometer Physics GmbH（RPG）也开发了太赫兹源，它组合了 W波段 的大功率放大器 GaAs MMIC 和 基于 GaAs 肖特基二极管 的大功率高频乘法器。图15 展示了在 赫歇尔太空望远镜（左图）上 远红外外差仪（HIFI）的频率可调谐源，频率高达 1100GHz ，覆盖了从远红外到亚毫米波长的光谱范围。右图 展示了欧洲航天局（ESA）JUICE卫星 的 亚毫米波仪器（SWI）的 捷变频率和功率源，最高可达 158GHz 。
4.4.3 D波段 天线辐射性能测量
在 空口（OTA）测试概念发展方面，5G 率先将毫米波频率用于无线通信。这是由于大规模和高度小型化天线阵列不再适用于传导测试。OTA 天线测试概念可以扩展到 D波段 乃至更高范围，用于探索太赫兹通信和传感。未来的设备将纳入更高集成度的有源天线系统，用于超大规模 MIMO 和 传感应用。在可重构智能表面应用程序（RIS）特性的研究领域，OTA 测试同样重要。
使用 R&S®ATS1000 进行空口测试（OTA）
现在把 6G 研究的重点放在 100GHz 以上的频率，找到大量可用频谱是实现更高数据速率的关键。不仅需要新的宽带高增益天线概念，还需要在天线测量程序方面取得进展。
从传统的 6GHz 以下 蜂窝服务转向 5G 新空口（NR）频率范围2（FR2）已经是一个重大的技术飞跃（图2）。由于路径损耗随频率的平方增加而增加，因此在用户设备和网络基础设施中引入了具有电子波束指向能力的 高增益天线，以确保无线链路的质量。由于集成电路复杂性随频率函数增加而急剧增加，现在大多数开发都针对一种新的波导 D波段（110GHz ~ 170GHz）和 G波段（140GHz ~ 220GHz）。
在接下来的讨论中，我们将考虑一种球面扫描解决方案来测量 D波段 的辐射性能，该解决方案在 R&S®ATS1000 中实现了前所未有的动态范围。该解决方案采用直接 下变频 的新型探头设计，在 170GHz 下提供大于 50dB 的动态范围。
在 110GHz ~ 170GHz 频率范围内测量 被测设备（DUT）的振幅和相位相干响应时，不需要机械修改或额外的射频布线，R&S®ATS1000 简化了测试要求。
被测设备（DUT）是 IMST 新设计的 D波段 透镜的漏波馈电天线（图16）。它可用于 6G 前传 点对多点场景。简化的馈电结构由低介电常数 εr= 2.34 和 直径 35 mm（20λ 170 GHz）的低损耗高密度聚乙烯（HPDE）制成的椭圆透镜组成，该设计具备较高的成本效益。馈源由一个 λ/2 漏波空腔组成，由 WR6 波导激发。可以沿透镜焦平面移动馈源来操纵辐射方向图。
该天线既进行了数值建模，又使用紧凑型系统进行了球面近场扫描天线的实验评估。辐射模式测量是在 R&S®ATS1000 移动球形扫描范围内进行的（图17）。该全电波暗室包括一个分布式轴定位器。
DUT 馈电组件用于相位相干和时间稳定测量。如 图17 中镜头天线下方所示，该倍频链由一个 D波段 亚谐波混频器组成，与探头处使用的混频器相同， D波段 隔离器连接到 被测设备（DUT）的 WR6 分裂块。使用 R&S®ZNA43 4端口矢量网络分析仪（VNA）进行测量，其中前端的一个端口将中频信号馈送到 被测设备（DUT）。
图17 展示了测量探头的概念。正交换能器（OMT）连接到 20dBi 方形喇叭天线，在整个 D波段 频率范围内，3dB 波束宽度为 16° ，交叉极化隔离为 25dB。当 DUT设置为接收（RX）或发送（TX）时，该组件可以相互工作，并且能够发送或接收两个正交极化场。直接在探头处实现下变频或上变频，从而消除了 RF 频率下的全部电缆损耗。两种极化可以同时测量。
图18 展示了 DUT 全波模拟与测量结果之间的出色一致性。这证实了新探头测量系统具备高精度。无源天线测量可以成功实现近场到远场（NF2FF）变换等相位相干数据据采集。未转换的测量结果显示为红色，表明辐射方向图的主光束已经接近远场渐近行为。
总之，这样一种高效的 D波段 透镜天线设计，在 42% 的带宽下实现增益大于 30dB。通过球面扫描测试系统对该天线进行了精确表征，该系统能够进行稳定的相位相干测量，并在 DUT 输入端和测试探头输出端进行了直接变频。相位相干性是支持精确应用近场到远场转换算法的必要条件，这对于精确确定辐射方向 图零位 和 旁瓣电平 至关重要。
4.5 直接产生太赫兹光子：量子级联激光器（QCL）
4.5.1 带间二极管激光器
光谱与太赫兹频率：带间跃迁与带内跃迁
多年来，在激光中产生相位相干辐射（通过受激辐射进行光放大）一直是一个既定的概念。它已经贡献了许多应用，包括与光纤技术结合的光通信，也是当今互联网的技术基础。激光器由有源介质（可在具有粒子数反转的能级之间发生激光跃迁）、用于反馈腔和额外的频率选择元件组成。
带间二极管激光器
半导体激光二极管是最重要的光电元件之一，它们可以将电流直接转换成相干光。对于光电学来说，直接带隙 III-V族半导体材料 GaAs 和 GaN 最为重要。来自导带的电子（e–）与价带的空穴（e+）复合，发射频率与能级间能量差相对应的光子（图19）。带间二极管激光器价格低廉，能高效的产生从紫外线到可见光到红外频率区域的光子。然而，太赫兹光子的能量比可见光光子小 100 ~ 1000 倍，并且没有材料具有如此小的带隙和粒子数反转。
图19：带间二极管激光器与量子级联激光器（QCL）
在带间二极管激光器中，激发态能级 |e⟩ 和基态 |g⟩ 之间的激光跃迁发生在导带和价带之间，在 量子级联激光器（QCL）中，光子跃迁发生在导带 hv 内设计的 量子阱能级（“波函数工程 ”）之间。
4.5.2 太赫兹 QCL：异质结构设计的子带间激光跃迁
与带间二极管激光器相比，激光发射是在 量子级联激光器（QCL）中 通过使用在周期性堆叠半导体量子阱异质结构中的带间跃迁实现的（“超晶格” 图19）。这个概念最早在 1994年 由贝尔实验室的一个研究小组通过 Jérôme Faist et al 进行了演示。
图20 显示了周期性量子阱异质结构（外延生长的 GaAs 或 InP 结构，厚度为 几纳米）和由此产生的量子阱能级结构。在制造过程中，可以通过控制层深 来设计量子阱深。因此，激光跃迁的波长取决于器件的物理结构（“电子波函数工程”）。这个概念允许产生低能量的太赫兹光子，这是带间二极管激光器无法达到的。
工作原理（图20）：频率 ν 的光子通过电子从激发态 |e⟩ 到基态 |g⟩ 的子带间跃迁发射，其中 E = hν 是基态和激发态之间的能量差。这个概念的一个优点是：负责发射光子的电子可隧穿到下一个量子阱（有源区），随后发射一个光子。因此，单个电子可以产生多个光子，从而使这一过程变得极其高效。从一个阱到另一个阱的隧穿就是 “量子级联” 这个术语的起源。
图20：QCL：半导体异质结构设计的子带间激光跃迁 “带结构与电子波形工程”，光以电子 “级联” 的形式通过多个量子阱发射，形成 “超晶格”。
作为参考，850nm 的光波长对应的能量差为 1.4 eV。太赫兹频率下成功运行的 量子级联激光器（QCL）在 2002年 首次被证实。从那时起，QCL 在频率覆盖、功率输出和工作温度提高方面取得了迅速发展。通过精心设计量子阱，激光的波长短至 2.75μm（109THz），长至 161μm（1.9THz）。波长较长的器件仍然需要低温冷却，但常温作业最长已达到 16μm。关注点已经 集中在中红外（3.5μm ~ 13μm）和太赫兹光谱（2THz ~ 5THz ≈60μm ~ 150μm）。使用具有腔内非线性混频的长波太赫兹 QCL源 的方法 甚至可以做到低于 1THz 的频率。
实现在室温下工作的太赫兹量子级联激光器的旅程已经向前迈出了一步，最近发表了一种在珀尔帖冷却器范围内 -23°C 的工作设备。
4.6 下变频光子方法：通过光混合从光学到太赫兹
光电频域产生太赫兹：单行载流子光电二极管（UTC-PD）和 作为光合成器 PIN 光电二极管
最近，一种间接产生连续太赫兹波的方法引起了广泛关注：光电二极管可以通过 “光混合” 过程在高带宽光电导体中通过光外差有效地将光信号转换为电信号。它涉及 激光器/红外激光器 在半导体或有机晶体中产生*电荷载流子。这些载流子被内部或外部电场加速，产生的光电流成为太赫兹波的源。
如 图21 所示，在这种方法中，两个连续波（CW）单模激光器（通常在 1.55μm “光纤通信波长”）的输出，发射频率分别为 ν1 和 ν2，在超快 III–V型 化合物半导体光电探测器（InGaAs/InP）中 “混合” ，在太赫兹区域产生光脉冲频率 νTHz = ν1 – ν2 诱导光电流调制。环绕在光电探测器周围的天线结构将振荡的光电流转换成太赫兹波。最先进的光电合成器基于 GaAs 或 InGaAs/InP，并且要求激光波长低于半导体带隙（即分别约 0.8μm 或 1.5μm）。
光混合技术的优点是，通过调谐激光器，拍频可以在很宽的光谱范围内变化，这直接转化为可广泛调谐的太赫兹辐射。
图21：光混合工艺
在两个稍微失谐的单模激光器拍频 νTHz = ν1 – ν2 处产生太赫兹辐射的光混合过程。从光学频率梳中获得的两个频率可以导出极值频率和相位稳定度。对于数据传输，其中一个激光器由 马赫-曾德尔调制器（MZM）调制：它由一个干涉仪组成，可将光束被分成两束。在其中一个干涉仪臂中，通过电光调制器（EOM）将激光的相位相对于另一条路径进行偏移，从而在两束光束重组后产生建设性或破坏性调制激光束。拍频信号撞击到光电混合器单行载波光电二极管（UTC-PD）上，集成天线发出太赫兹辐射。
常用两种类型的光电二极管：PIN 光电二极管（PIN-PD）和单行程载流子光电二极管（UTC-PD）。这两种最初都是作为光纤通信网络的检波器开发的，但后来进行了修改以满足太赫兹发射的要求。UTC-PD 最初由日本 NTT公司 开发，用于 40Gbps 的多级光接收，但这些光电二极管已经增强到能够产生高达 4.5THz 的信号。
在适用于通信应用的频段，如 300GHz 频段，已经实现了毫瓦量级的功率水平。
将激光束的可调谐特性与光混合技术相结合，可以将用于为光通信开发的光矢量场生成技术（例如调制带宽 > 100Gbps 的 马赫-曾德尔调制器）应用到太赫兹范围内，从而使技术进步。此外，如果增加额外的频率，这些技术使得实现多频通信相对容易（图21）。这种组合还可以轻松地将这些无线链路集成到光纤基础设施中。此外，片上通信和未来的高速设备间通信也将需要太赫兹波导。这种波导最近已经利用具有接近零弯曲损耗和零反向散射的拓扑谷光子晶体实现。如 图21 所示，将两个频率引入到相同的频率梳发生器，可以将光学梳独特的相位和频率稳定性以宽带和可调谐的方式传输到太赫兹范围。与 图21 所示的发射机对应的接收机侧，可以是肖特基二极管或与发射器侧对称的设置。这项技术也为测试和测量仪器带来了希望，因为它可以通过光电子技术将频谱分析和矢量网络分析的频率范围扩展到太赫兹区域。
通信用太赫兹波：300GHz 点对点传输
图22 显示了在实验室和室外进行的太赫兹数据传输试验（SISO，即一个发射天线和一个接收天线）。在 200GHz ~ 300GHz 之间有一个低大气损耗的传输窗口（图7）。与*空间光链路相比，毫米波或太赫兹传输受 雨、雾 等恶劣天气的影响要小得多。图22 的左侧显示了实验室中 100Gbps 的示例，而右侧的照片显示了法国敦刻尔克港中 300GHz 的传输链路，距离为 850米（具有非常聚焦的波束）。
在 图22 的左侧，IEMN 制造的 UTC-PD InGaAs/InP 芯片，以及光电二极管输出与光电流的响应曲线（来源：IEMN UMR CNRS 8520/法国 Lille-Renatech 大学网络实验室）。该光电二极管采用带有亚波长孔径的半透明顶部接触，以增强光电二极管的光学传输和正面照明（1.55μm 波长）。通过晶圆键合在二极管台面下方使用金属镜，进一步提高了器件的响应度。
在 200GHz ~ 300GHz 之间的太赫兹窗口中实现 100Gbps 传输。
4.7 时域产生太赫兹：基于飞秒激光器的光谱学和成像
另一种覆盖大范围频率（0.1THz ~ 6THz）的替代方法涉及光谱学（TDS）和成像的时域（TD）系统。在这种方案中，脉冲太赫兹辐射是通过飞秒激光器产生的。激光脉冲用分束器分成两部分：一部分到达太赫兹发射机，另一部分到达探测器。超短激光脉冲在发射器（光电导天线）中产生瞬态电流，从而产生在太赫兹范围内具有宽频谱的电磁波包。
太赫兹脉冲与光谱样本相互作用并到达接收器，接收器以 “Pump-Probe” 的方式工作：入射太赫兹脉冲改变材料的某些特性（例如电导率或双折射），分离的激光脉冲探测这种效应。可变延迟用短得多的 “探头” 脉冲扫描太赫兹波包。然后太赫兹幅度进行傅里叶变换再现频谱。
时域光谱学的优点是光谱范围非常大，测量速度快。商用系统产生的光谱高达 6THz。太赫兹时域系统用于各种工业应用，例如质量保证中的无损检测，特别是聚合物和陶瓷等合成材料。在太赫兹测量中，可以推导出复杂的折射率（介电常数）和几何结构。例如通过到达时间来测量厚度，在纸张生产中，将宽光谱转化为微米厚度分辨率。
图23 显示了由时域光谱仪（TeraFlash pro, TOPTICA Photonics AG）记录的公交卡的太赫兹图像，该样品的探测频率从 100GHz ~ 6THz。
图23：一张日本预付公共交通卡的照片（左图）和处理过的太赫兹图像（右图），揭示了底层电子设备的内部视图（由 TOPTICA Photonics AG 提供）
