从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势

胡小燕

(中国电子科技集团公司信息科学研究院,北京 100015)

·综述与评论·

从光子学角度看太赫兹技术的现状和发展趋势

胡小燕

(中国电子科技集团公司信息科学研究院,北京 100015)

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。

太赫兹；太赫兹源；直接探测；外差探测；光子探测器；热探测器；红外探测器

1 引 言

太赫兹波一般认为是频率在0.1～10 THz(对应波长在3 mm ～30 μm)之间的电磁辐射,介于微波与红外波之间,是宏观电子学向微观光子学过渡的频段,图1所示为太赫兹波在电磁波频谱中的位置。由于大量有机分子的转动和振动频率以及大量星际尘埃的特征谱线处于此波段范围；同时太赫兹辐射具有光子能量小,不会引起生物组织的光离化,能够穿透针织物、纸张、烟雾等非金属和非极性材料,这些特征使得太赫兹相关技术成为了当前各种应用技术的研究热点。

图1 电磁波频谱

2 太赫兹技术的应用需求

在过去的20几年内太赫兹技术呈现了飞跃式的发展,各国研究人员利用先进的材料技术研究出了更高功率的太赫兹源,各种技术突破将太赫兹的应用推向了顶峰。其中里程碑式的技术发展包括太赫兹时域光谱技术(TDS)、太赫兹成像技术以及非线性效应产生高功率太赫兹源[1-3]。当前,太赫兹技术应用主要集中在光谱探测、成像探测和通讯应用这几个方面。

2.1 光谱探测

20世纪80年代发展起来的太赫兹时域光谱技术(TDS)[4]利用物质对太赫兹频带的不同特征吸收谱,用来分析研究物质成分、结构及其相互作用关系。通常有机分子之间弱的相互作用 (如氢键)及大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收频率对应于太赫兹红外波段范围。这些振动所反映的分子结构及相关环境信息,都在太赫兹波段不同吸收位置和强度上有明显的响应,有机分子的这些光谱特征,被称之为指纹谱,这使得利用太赫兹时域光谱技术鉴别化合物结构、构型与环境状态成为可能。具体来说其可以广泛应用于毒品、爆炸物和其他违禁物品及环境监测等应用领域,目前世界范围内已经很多企业生产商用太赫兹时域光谱仪。

除此之外,太空中星际尘埃和一些重要分子的光谱也在太赫兹谱段,如图2所示为典型星际尘埃和重要分子的光谱[5],这使得太赫兹的天文光谱探测对宇宙构成、星系形成和演化等研究领域有着重要的贡献。

图2 30 K黑体辐射光谱以及典型星际尘埃和主要的分子发射光谱

2.2 成像探测

太赫兹波对很多介电材料和非极性的液体具有良好的穿透性,且与X光相比,太赫兹波能量低,不会破坏生物组织,具有很高安全性,因此太赫兹波的一个很有吸引力的前景就是作为X射线成像和超声波成像等技术的补充,用于生物医学成像、安全检查或者无损探伤等。太赫兹成像技术目前主要在两个方面开展研究,逐点扫描太赫兹成像技术和远红外焦平面阵列的太赫兹成像技术,这一领域现在已经被公认最有可能首先取得重大突破,具有非常大的应用潜力。

利用太赫兹可以穿透物质的特性,美国橡树岭国家实验室(ORNL)和田纳西大学合作,开展“穿墙计划(Through wall Program)”,利用太赫兹成像技术从外部获得墙内信息,这项穿墙技术在国家安全方面有很重要的价值。

在安全检查领域,由于太赫兹辐射可以穿透各类非金属材料,应用于安检对人进行太赫兹透视成像,可以清楚地看到藏于衣服下的武器(如图3所示),也可以穿透包裹看到危险品,相比X射线安检仪,对人体伤害小,且可以快速准确检出违禁品。

图3 太赫兹探测在安全检查中能穿透衣物发现隐藏的武器

在医学检测领域,太赫兹波辐射能穿入皮肤底下数毫米的地方,而其他医疗技术,(如X光和核磁共振成像技术)尽管可以透视更深处组织,但因成像对比机制的不同,而对皮肤以下几毫米的深层无能为力。同时用太赫兹波作为生物医学成像的光源,可以避免X线等光源的副作用,并且图像的清晰度和对比度更好,在影像上表现非常出色,可大量应用到细胞及器官的鉴定或成像,放射诊断和遗传基因研究[6]。

2.3 通讯应用

太赫兹电磁波处于电子学向光子学的过渡领域,它集成了微波通信与光通信的优点,同时相比较两种现有通信手段,太赫兹波表现出一些特有的优良性质。

相比微波通讯而言,太赫兹通讯传输容量更大,波束更窄、方向性更好,具有更好的保密性和抗干扰能力,同时天线尺寸相对更小、系统更经济；相对光通信而言,其光子能量低、能量效率更高,同时具有很好的穿透沙尘烟雾的能力,当然大气中水汽的吸收会带来不利因素。

总的来说,太赫兹电磁波是很好的宽带信息载体,太赫兹波比微波能做到的带宽和讯道数多得多,特别适合用于卫星间、星地间及局域网的宽带移动通讯。

3 太赫兹技术研究的两大关键基础问题

支撑太赫兹应用的两大重大基础问题为太赫兹源和太赫兹探测器。近年来,各国研究人员从光子学角度和电子学角度开展了针对太赫兹源、太赫兹探测器的大量研究工作,大大促进了相关太赫兹成像技术、光谱探测等应用技术的快速发展。

3.1 太赫兹源

自然界充满了大量的太赫兹辐射源,从宇宙背景辐射到我们身边绝大多数物体的热辐射都覆盖太赫兹波段。按照黑体辐射理论,温度超过绝对零度的黑体都辐射电磁波,10 K以上的黑体辐射的电磁波均包括太赫兹波段,约50%的宇宙空间光子能量在太赫兹波段[7]。虽然人们早已知道太赫兹波段的存在,但是因为用传统的电子学和光学方法均难以产生和探测太赫兹波,因此人们对于太赫兹波段的特性一直知之甚少,直到近20年,随着超快电子学技术、微电子技术以及激光技术的发展,为太赫兹辐射提供了稳定可靠的发射源和探测手段,从而促进了太赫兹技术的迅速发展。

太赫兹源的获得从原理上一方面可以将截止频率接近太赫兹的高速、非线性器件的亚毫米波频率通过混频和倍频,上变频到太赫兹波段；另一方面也可以从红外波段或可见光的泵浦激光器下变频到太赫兹波段,此外还可以采用真空电子学或者固态电子学等方式来获得太赫兹源。当前人工太赫兹源按照产生原理可以分为以下三类:基于非线性介质的太赫兹源、基于加速电子的太赫兹源以及基于激光激射方法产生的太赫兹源。表1所示为常见的人工太赫兹源产生方法及特点[8-11]。目前为止,太赫兹源技术中提高1 THz附近的源的功率仍然是研究的难点(如图4所示)。

3.2 太赫兹探测

同其他光电探测系统一样,太赫兹探测系统可以也分为非相干(直接)探测系统和相干探测系统，其原理如图5所示。非相干探测系统主要探测目标辐射的强度信息,探测带宽宽,大多数成像探测系统均是非相干探测,相对来说系统结构比较简单,比较容易实现大阵列规格的探测。而相干探测系统探测目标的强度信息和位相信息,有着较好的滤波特性和高增益,具备探测微弱信号的能力,常用于高分辨率光谱研究(Δv/v～10-5～10-6),但是其系统比较复杂,且不容易实现阵列探测[13]。

图4 太赫兹源技术中存在的“THz Gap”[12]

图5 太赫兹探测系统原理图

相干探测系统中,外差探测是太赫兹辐射最灵敏的探测方式之一,其采用外差电路设计,相干的目标信号与本振源(LO)信号混频后得到包含位相信息和信号幅值的差频信号,然后对该差频信号进行放大处理得到目标辐射的相关信息。其中混频器是相干探测系统前端核心的部件,混频器的性能决定着系统的响应率和噪声。通常来说,混频器为非线性电子器件,并要求有着较高的二阶非线性度,常见的有肖特基二极管(SBD)、超导体-半导体-超导体(SIS)隧道结、半导体和超导体材料的热电子测辐射计(HEB)等。

除了外差探测外,光电导探测以及电光探测技术同样也属于相干探测,其中光电导天线是最早应用于探测太赫兹脉冲的相干探测工具,至今仍然广泛使用,其探测过程是光电导天线产生太赫兹辐射的逆过程,其利用半导体光电导天线作为太赫兹接受元件，利用飞秒激光脉冲在半导体上产生的光电流与太赫兹驱动电场成正比的特性,测量太赫兹瞬间电场。这种方法适用低频太赫兹探测,有着很好的灵敏度和信噪比,但是探测带宽窄。

电光探测是光整流的逆过程,是基于帕克尔(Pockels)效应来得到太赫兹辐射的相关信息,这种电光探测技术克服了光生载流子寿命的限制,时间响应只与所用的电光晶体的非线性性质有关,所以具有更短的时间响应、较高的探测带宽、优越的探测灵敏度和信噪比,进而得到了广泛的应用,典型的如太赫兹时域光谱测量、成像技术等。

直接探测系统为非相干探测,常见于紫外、可见光、红外、毫米波等成像视觉系统中,在太赫兹波段适用于对光谱分辨率要求不高的应用领域。与外差探测相比,直接探测不会受本振源以及快速探测器响应时间(τ～10-11-10-10s)的限制,因此所用的探测器一般都是基于光热效应和光子效应的探测,其中有积分时间较长(τ～10-3-10-2s)、探测率不高(NEP～10-11-10-9W/Hz1/2)的非制冷型太赫兹探测器以及积分时间短(τ～10-7-10-6s)、探测率较高(NEP～10-17-10-13W/Hz1/2)的制冷型探测器。非制冷探测器主要有高莱管、压电探测器、肖特基二极管、各种辐射计和微测辐射计(VOx、Bi、Nb、Ti……)等,文献[14]中对这些非制冷太赫兹探测器件的性能进行了整理；制冷型探测器包括半导体热电子测辐射计HEB(InSb、Si、Ge)、非本征光导器件(掺杂Ge、掺杂Si)以及一些低维量子器件(QWIP)等[13]。

4 常见的太赫兹探测器

同太赫兹源的研究一样,人们对太赫兹探测器的研究也是基于已有的微电子和光电子技术基础,一方面将电子学器件(微波频段)的工作频率拓展到太赫兹频段,另一方面也在将光电器件(红外波段)的探测波段拓展到了太赫兹波段。

按工作原理,太赫兹探测器也可以分为光子探测器和热探测器两大类。

4.1 基于光子效应的太赫兹光子探测器

光子探测器是材料通过吸收光子导致材料中电子产生跃迁,引起电学性能的变化。根据电子跃迁方式分为:本征激发、非本征激发、自由载流子激发。本征激发是吸收光子后,电子直接从价带跃迁到导带；非本征激发是材料中的缺陷能级至导带或者电子束缚态之间跃迁；自由载流子激发是导带中电子或者价带中空穴发生在同一能带中的跃迁吸收，如图6所示。对于紫外、可见光以及红外波段的光子探测器来说,通常是利用不同禁带宽度的半导体材料的本征激发特性来探测,然而对于太赫兹波段探测器来说,其光子能量太低(hν=4 meV@1 THz),很难找到匹配的窄禁带半导体材料,因此太赫兹光子探测器均是非本征激发或者自由载流子激发方式。

相比热探测器,光子探测器有入射光子波长选择性以及较高的信噪比,同时需要低温制冷来抑制器件热噪声,且随着探测波长的增加,要求制冷温度越低。

图6 光子探测器的几种跃迁模式

以下是几种常见的太赫兹光子探测器:

1)肖特基二极管

肖特基二极管(SBD)是太赫兹探测中最常用的探测器,其物理机理是基于自由载流子激发。肖特基二极管即可以用于直接探测,也可以作为外差探测中的混频器。20世纪90年代前广泛用作太赫兹相关探测中的混频器,近年来逐渐被SIS以及HEB混频器替代[15]。相比于制冷的HEB以及SIS混频器而言,SBD的性能要差很多(如图7所示),但是SBD不需要制冷的特点使得其在应用方面具有一定的优势,特别适合用于中等分辨率要求的毫米波光谱测量中。

最早的肖特基势垒二极管采用金属针接触半导体材料,用的最多的是W/p-Si 接触(300 K工作温度下其NEP～10-10W/Hz1/2),当然也有W/n-Ge、W/n-GaAs、W/n-InSb材料的。近年来这种触须型二极管已经被平面结二极管结构所替代,作为分立器件时,平面二极管采用flip-chip与电路进行互连,同时利用先进的工艺技术,二极管可以与许多无源器件(滤波器、波导、阻抗匹配元件)集成在同一基板上[17]。近年来基于MBE外延技术,将半金属ErAs沉积于InP衬底或者InAlGaAs缓冲材料上制备得到的肖特基二极管,其NEP表现为高出传统二极管两个数量级(NEP～10-12W/Hz1/2)[18]。

图7 SBD、SIS以及HEB几种太赫兹波段混频器的噪声温度比较[16]

2)非本征激发Ge光导器件

非本征激发光导探测器的物理机理是基于杂质缺陷能级的非本征激发,该探测器波长覆盖从几微米的红外到大约300 μm的太赫兹波段,本底材料和掺杂决定波长范围。非本征光导探测器研究了大约50多年,最早非本征激发光导探测器是基于Ge材料,后来随着Si材料技术的发展,有了基于Si材料以及其他GaAs、GaP半导体材料。其中Si和Ge材料的非本征探测器是比较常见的两种,Si器件不适用制备探测波长大于40 μm的器件,在大于40 μm的器件中,Ge器件仍然具有优势,广泛应用于了各种航空或者航天天文观测仪器,例如欧洲宇航局的红外空间观测仪(ISO)以及美国NASA的Spitzer空间望远镜等,其中Spitzer中应用了70 μm截止波长的32×32元的Ge∶Ga器件以及截止波长160 μm的2×20元器件[19],图8所示为各种掺杂的Ge光导器件的相对光谱,这些探测器的NEP在10-18～10-16W/Hz1/2量级,同时需要低至4.2 K左右的深低温制冷。

3)SIS探测器

SIS是一种基于超导材料的光子探测器,其利用了光子辅助隧穿机制为理论基础,可以探测0.1～1.2 THz的信号,需要在1 K左右的温度下工作,其NEP在10-20W/Hz1/2量级,广泛应用于太赫兹射电天文和大气物理研究中。

图8 一些常见Ge非本征光导探测器[20]

SIS隧道结由于其非线性I-V特性,是当前应用最多的用于外差探测毫米波和亚毫米波的混频器,单像素的SIS 混频器一般来说需要40～100 μW的本振源功率,相对单元SBD对LO源的功率要求(>1 mW)低很多。当然HEB混频器对于本振源功率的要求更低(<0.1～1 μW),与SIS和SBD探测器不同的是,HEB是热探测器,同时其工作频率更高,可以达5 THz[13]。对LO源功率的要求低,使得对源的选择范围更大,这也是近年来在外差探测中,HEB和SIS混频器在逐步替代SBD探测器的原因。

4)量子阱探测器件

量子阱探测器的研究最早开始于20世纪80年代末[21],最先用于红外波段的探测,主要基于GaAs/AlxGa1-xAs,由于窄带隙材料GaAs被宽带隙材料AlxGa1-xAs夹在中间,电子在沿材料生长方向被束缚,在导带阱中形成束缚态,利用红外光子激发实现电子从束缚态到束缚态的跃迁,并在外加电场的作用下形成光电流(如图9所示)。量子阱探测器利用成熟的MBE技术生长材料,可以通过调节势阱和势垒材料的组分、厚度等参数获得不同波段的探测器,覆盖从红外到太赫兹波段。同时借用量子阱红外探测器的成熟制备技术,太赫兹量子阱探测器可以制备成大面阵探测器。

采用的GaAs/AlxGa1-xAs材料系的量子阱探测器由于GaAs材料晶格振动对光子的强烈吸收,使得对光子能量在34～36MeV(8～9 THz)及更低能量的辐射探测很难实现。H.C.Liu等人[22]采用抛物带有效质量近似和三维漂移-扩散器件模拟方法设计出一种新型THz QWIP,并成功实现了对光子能量小于34 MeV的探测,最终分别实现了8.7、5.4、3.2 THz波长的探测。

5)其他新型光子器件

除了以上这些光子探测器,近年来,IWIP(异质结光电探测器)[23]、量子点探测器[24]也从红外波段拓展到了太赫兹波段,除此之外,基于碳纳米管[25]以及石墨烯[26]等新型材料的太赫兹探测器件也正在研究。

图9 量子阱子带间光激发跃迁示意图

4.2 基于光热效应的太赫兹热探测器

热探测器的基本工作原理为热敏材料吸收入射辐射后导致温度升高,进而改变其某些物理特性(例如电阻、介电常数等),通过测量这些物理特性的变化来探测入射辐射场的不同。很多工作在红外波段的热探测器也可以应用于太赫兹波段,例如测辐射计、热电探测器以及高莱管等。

热探测器的基本原理可以用图10来描述,传感器部分是由吸收层和热敏材料组成的像元,像元被绝热支撑柱与衬底隔开；其中传感器吸收辐射后温度升高,绝热支撑柱一方面杜绝传感器温度的传导、另一方面实现支撑和必要的电学连接。影响热探测器的性能的主要参数是传感器热容Cth、绝热柱的热传导Gth(整个热探测器处于对流绝热的真空封装下)、热敏材料的温度系数。其中温度系数表示热敏感材料温度变化时导致的物理特性的变化率,这个值越大越好；热探测器的响应率与温度系数成正比,与Gth成反比,因此Gth越小,响应率越高,然而热探测的响应时间τ=Cth/Gth如果过分降低了Gth的值,可能会导致热响应时间过长,因此热探测器设计过程中Gth和Cth的综合折衷考虑是非常重要的。

几种典型的太赫兹热探测器及基本特性如表2所示[13]。

图10 热探测器的基本原理示意图

5 太赫兹探测器的发展趋势分析

5.1 太赫兹探测器的发展趋势分析

太赫兹波段和红外波段是在整个电磁频谱中相邻的两个波段,有不少太赫兹探测器的探测原理是和红外探测器的探测原理是相同的,因此,作为一个新兴探测技术来说,太赫兹探测技术的发展是可以借鉴红外探测技术的发展的。红外探测器从20世纪40年代开始研究,至今几十年的时间内,经历了三代器件发展,性能不断提升,新材料、新技术不断涌现,其发展历程可概括如下:

1)追求更高分辨率:从单元器件、线列器件发展到焦平面探测器,甚至到目前单片2048×2048超大阵列规模；

2)追求更高目标识别率:从单色器件到单片双色器件,甚至单片多色多光谱探测器件,以追求更高的目标识别率；

3)追求更高性能、更好应用体验:通过光信号传输、数字化芯片处理手段不断提高红外探测器的集成化和智能化程度。

结合红外探测器的发展历程,预测太赫兹探测器的发展会有如下趋势:

1) 太赫兹焦平面探测器会成为探测器的一个重要发展方向,朝着更大阵列、更高性能方向前进,满足更高光谱分辨率(10-7)和更精细成像需求；

2) 太赫兹波段和其他谱段或频段综合的多谱段或多频道探测器存在可能；

3)集成化、微型化、智能化的太赫兹探测成像系统会是太赫兹应用的重要发展方向。

表2 典型太赫兹热探测器的原理和特点

5.2 太赫兹探测器技术发展过程中面临的挑战

当然,如果太赫兹在朝着大阵列方向发展的过程中,除了本身技术实现上的难度以外,还可能需要考虑的问题:

1)系统如何小型化,并增强其实用性,这需要解决高性能、深低温制冷问题与系统小型化等存在的冲突问题；

2)太赫兹探测器阵列化需要用到专用集成电路,深低温工作以及特殊的信号处理要求对读出电路提出了更高的要求；

3)需要考虑实际应用中的可靠性问题,例如阵列化器件的filp-Chip结构对高低温冲击的耐受性,以及需要考虑系统散热的问题。

6 小 结

太赫兹源、太赫兹探测器以及太赫兹应用研究是太赫兹科学技术研究的重点,近年来各国科学家围绕这些方面开展了大量的工作,研制出来了不同种类、不同工作原理的太赫兹源和太赫兹探测器,并且已经开始应用于生物、医疗、安防、天文探测等众多领域。相信随着新型功能材料不断产生和先进微电子、MEMS工艺技术的发展进步,作为电子学和光子学的过渡频段,太赫兹技术将会借助学科的交叉融合和先进加工工艺技术进步的契机,步入一个新的技术发展和技术应用高潮。

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Research progress and trends of terahertz technology from the view of photonics

HU Xiao-yan

(China Electronics technology Group Corporation Information Science Academy,Beijing 100015,China)

Terahertz technology is a very promising technology.Terahertz source,terahertz detector and terahertz application are three key-points in terahertz technology field.The applied demand in terahertz spectroscopy,terahertz imaging,and terahertz communication are analyzed;the mechanism and characteristics of terahertz source as well as the main current classification and the common terahertz detectors are also introduced.Based on the developing progress of infrared detectors,developing trends and the probably technique difficulties of terahertz detectors in the future are also analyzed from the view of photonics.

terahertz(THz);terahertz source;direct detection;heterodyne detection;photon detectors;thermal detector;infrared detector

胡小燕(1979- )，女，硕士，高级工程师，主要从事光电探测器技术以及光谱感知微系统相关技术研究。E-mail：13611229166@139.com

2015-03-16

1001-5078(2015)07-0740-09

O441

A

10.3969/j.issn.1001-5078.2015.07.002