太赫兹计量测试技术

█ 北京无线电计量测试研究所 谌 贝 程 晴 马红梅

█ 中央军委装备发展部国防知识产权局 王宝龙

一、前言

太赫兹波的频段位于微波与红外光之间，其频率范围为100GHz~10THz，结合了毫米波与红外光的部分特性，具有很高的研究价值和应用潜力，太赫兹科学与技术是当今交叉学科的前沿研究领域。太赫兹波具有带宽大、穿透能力强、光子能量低、时间和空间相干性高、抗干扰能力强等优良特性，在宽带无线通信、卫星通信、遥感遥测、无损探伤、成像安检、医疗诊断、环境检测、农业应用等方面展现出巨大的应用前景。近十几年来，太赫兹技术在世界范围内获得了广泛关注。从战略规划的角度，美国将太赫兹技术列为改变未来世界的十大技术之一，日本政府将太赫兹技术列为国家支柱十大重点战略目标之首，而我国自2005年的“香山科学会议”起就正式确立了太赫兹科学技术的发展方向。随着基础技术研究的不断深入和转化，太赫兹技术及产品逐步形成产业化规模，并在最近形成了诸如“太赫兹产业技术创新联盟”“毫米波太赫兹产业发展联盟”“太赫兹产业标准联盟”等专业团体，有望进一步整合技术能力和产业资源，推动太赫兹技术的进一步升级。

但与之形成对比的是，长期以来太赫兹计量测试技术的发展滞后于太赫兹其他技术，形成了计量学上的太赫兹空白。计量测试技术是所有实验科学和工程测量领域中必不可少的环节，用于合理表征设备指标和系统性能，评价测量结果，为其他技术提供支撑。成熟的测量领域必然具有高水平的计量能力及共同认可的标准。然而太赫兹技术虽然得到快速发展，但是高端仪器与器件的缺乏导致长期以来太赫兹计量测试技术相对滞后。近些年来，得益于太赫兹器件和快速光学设备的高速发展，太赫兹计量测试逐渐获得关注，并成为太赫兹技术的一个重要方向。

由于太赫兹的频段位于微波和远红外之间，因此早期的研究者多具有微波技术或光学技术背景。这就使得当前的太赫兹技术研究可分为两类：基于微波上变频技术和基于光学下变频技术。这两类研究都是当前的主流，各有优势。在太赫兹计量测试中也是如此，两类方法相互补充，体现出传统的单一方法所不具备的特点。

在太赫兹计量测试技术研究初期，美国和欧洲的相关计量机构处于领先地位，他们较为系统地开展了涉及太赫兹频段的计量测试技术研究，其中较有代表性的研究机构有美国国家标准技术研究院（NIST）、英国国家物理研究院（NPL）、德国国家物理技术研究院（PTB）等。我国太赫兹计量测试技术的研究起步稍晚，但发展非常迅速，包括中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）、北京无线电计量测试研究所、西安应用光学研究所、中国电子科技集团有限公司第四十一研究所（以下简称“中电四十一所”）等在内的众多科研院所都在积极开展相关研究，并已形成各自具有代表性的研究方向。

二、太赫兹计量测试技术研究现状

本文参考传统无线电计量专业中所使用的“参数”概念对太赫兹计量测试技术进行分类，这种分类方法也是当前行业中广泛采用的方式。

（一）功率与辐射参数

在太赫兹频段，功率参数是最基础的参数之一。对于绝对功率测量而言，实际基本都是基于电替代辐射测试技术，这是一种测量辐射热的技术。该测量技术中最基本的组件是温度计和吸收体，并常辅以电加热器。被测功率在吸收体上不断积累引起温度变化，直流能量在电加热器上的积累也会引起温度计的响应。将两者进行对比，就能够获得待测功率。这种方法已经能够获得很高的测量准确度，是非常成熟的技术。

在2011年之后，计量研究机构逐步开始建立太赫兹功率标准。NIST和NPL建立了同轴连接形式覆盖50GHz、波导连接形式覆盖110GHz的量热式/微量热式小功率标准装置，以及基于六端口/直接比较法的传递系统。NIST研制了覆盖140~220GHz的量热式功率标准，并研制了以水为吸收媒质的简易黑体，或者称为“太赫兹阱”，能够作为可溯源的参考标准，如图1所示[1]。最近，日本国家计量院（NMIJ）研制了基于单模WR-03波导的精密量热计，用于建立220~330GHz频段的太赫兹功率测量标准，如图2所示[2]。

图1 美国NIST研制的水黑体校准源结构图[1]

图2 日本NMIJ研制的220～330GHz频段太赫兹功率标准的精密量热计[2]

图3 太赫兹功率比对中使用的校准原理图（左图）和被测功率探测器（右图）[3]

北京无线电计量测试研究所目前的校准能力已经达到170GHz，并能够开展325GHz的功率测试。值得一提的是，2015年，PTB、NIST和中国计量院进行了一次国际太赫兹功率比对[3]，图3为该次比对中PTB使用的校准系统与太赫兹探测器，选择比对的频率为2.52THz和0.762THz，功率在3mW左右，比对结果显示，3家参比实验室的太赫兹功率计测量结果在扩展不确定度内符合得很好，说明我国的太赫兹功率测试实现了与国际其他机构的量值统一。

在实际应用中，辐射计是功率计量标准的常见形式，也是需要进行功率计量的典型设备之一。NPL在20世纪80年代进行了一组非常著名的红外低温辐射测定工作[4]，并将测定结果用在斯忒藩–玻尔兹曼（Stefan-Boltzmann）常数的精确测定中。这些研究催生了一代低温辐射计[5]，其成为现代高准确度红外功率测量和国际标准的基础。辐射计已经广泛应用于遥感、探测等实际测量过程中，例如，我国的风云和海洋系列卫星、神舟系列飞船、嫦娥系列飞行器等型号中都采用了辐射计。辐射计测量的动态范围非常大，但是所测量的信号非常微弱，所以需要进行准确可靠的定标。北京无线电计量测试研究所在辐射计研制和定标方面处于国内领先水平，辐射计真空定标源的频率覆盖10~220GHz，全极化辐射计测试能力覆盖500GHz。

由于自由空间中功率计量测试的不确定度可能要比通过波导传输方法更低，且其系统组件的制作相对容易，所以当前包括NIST在内的众多研究机构都将目光关注在自由空间中。而随着太赫兹技术的发展，诸如雷达、通信、检测等实际应用也越来越多地采用空间传输形式，所以如何能够更好实现自由空间的太赫兹功率计量测试将成为下一步的研究重点。

（二）网络参数

当前太赫兹源的输出功率还很低，但太赫兹信号的传输损耗却很高。为了保证太赫兹波在传输介质中的效率，同时减小传输损耗和避免发生大功率击穿，通常都尽量使传输线系统处于行波状态，从而避免反射和驻波的产生。也就是说，微波网络理论同样适用于太赫兹频段的信号。对于一个太赫兹的网络，如果能够获得散射参数（S参数），就可以变换得到反射、阻抗、衰减等量值，从而实现对太赫兹网络参数的计量测试。

利用矢量网络分析仪进行S参数的测量已经从早期的110GHz发展至太赫兹频段，现在已经有众多达到1THz的矢量网络分析仪（VNA）或扩频模块实现了商用化，如图4所示。美国Keysight、德国R&S、法国AB Millimeter等厂家，都已经具备达到太赫兹频段的网络分析能力，国内中电四十一所（思仪公司）也推出了太赫兹频段网络分析仪，这些发展对网络参数提出了太赫兹频段计量测试新需求。

图4 典型网络分析仪系统及扩频模块[6]

NIST采用双六端口/VNA系统建立了同轴/波导接头形式的S参数标准装置，开展了110GHz以上波导频段的S参数校准技术研究，频段可达500~750GHz[7]。英国NPL采用VNA系统建立了同轴/波导接头形式的S参数标准装置，开展了110~170GHz、140~220GHz频段的S参数校准技术研究，并搭建了相应的测量系统，用于实现校准件、网络分析仪等设备的误差分析。针对单端口和双端口器件，PTB已具备同轴连接形式覆盖110GHz、波导连接形式覆盖325GHz的测量能力[6]。北京无线电计量测试研究所目前已建立同轴连接形式到50GHz、波导连接形式覆盖110GHz的S参数标准装置，可实现的校准测试能力覆盖220GHz，正准备开展220~500GHz频段的S参数校准技术研究。此外，基于网络分析系统还能够实现材料的太赫兹频段测试，例如，图5给出了利用波导进行材料测试的方法[8]。

除了以同轴、波导连接的网络系统之外，对片上S参数的计量测试研究已经成为一个新热点，其技术需求背景更加明确。NIST已经开展了片上S参数的校准技术研究工作，频率覆盖500GHz，主要研究内容包括片上测量不确定度的分析、毫米波探针的误差模型计算及校准基片的设计制作等。美国喷气推进实验室（JPL） 报道了220~325GHz频段的片上S参数测量系统，如图6所示[9]。NPL也开展了片上S参数的校准技术研究工作，搭建了亚毫米波片上S参数校准装置，并且设计研制了各个频段的片上S参数检验件作为标准。北京无线电计量测试研究所的片上S参数测量能力已达至220GHz，并正在进一步向更高频率拓展。

图5 基于波导的太赫兹频段材料测试实物及原理图[8]

我国的S参数计量能力距离真正满足太赫兹频段的要求尚有很大差距，国外的能力优于国内的主要原因是网络分析仪、探针等硬件设施的优势，以及我国在软件、算法等方向上的研发能力不足。从该角度而言，我国的仪器研发和生产能力还远远落后于发达国家。而以中电四十一所为代表的国产设备厂商正在快速开展技术攻关，并逐步推出完全国产化的产品，有望在不久的将来对国内的计量测试能力建设提供有力支撑。

（三）脉冲波形参数

随着宽带通信等领域的快速发展，很多超快、超高速、超宽带的仪器设备（如宽带示波器、超快脉冲产生器、高速光电探测器等）被成功开发出来并大量投入使用。脉冲参数是这类设备的关键指标，直接反映了其响应速度和信息处理能力。这类设备的带宽已达太赫兹频段，传统的电子学设备无法满足其计量测试需求，因此对太赫兹脉冲计量测试技术提出了更高的要求。

图6 WR3波导的片上S参数测量系统[9]

融合光、电技术的电光取样技术（EOS）的测量带宽可达数百吉赫兹，为太赫兹脉冲的计量提供了有效的手段。近年来，国际知名计量机构如NPL、NIST和PTB等均开展了太赫兹脉冲计量技术的研究，并建立了相应的计量标准。其中所涉及的原理基本相似，都是采用飞秒激光脉冲激励光导开关等器件产生高带宽的超快脉冲，利用EOS对所产生的太赫兹脉冲进行准确测量，校准后的太赫兹脉冲可以应用于太赫兹频段设备的校准。这种方法产生的太赫兹脉冲的脉冲宽度在1ps左右，经共面波导、微波探头和同轴电缆传输后，展宽到3~4ps。EOS系统采用精密的位移平台作为延时器件，可通过校准位移平台实现EOS扫描时间的校准，并最终溯源至基本量长度，建立完善的溯源链。

PTB和NPL使用该技术对带宽50GHz的取样示波器的冲激响应进行了校准，测得的信号半高宽分别为6.3ps和6.5ps，扩展不确定度约为1.2ps。PTB和NPL都基于电光取样原理建立了宽带取样示波器的标准装置，并开展了相应的校准服务。PTB所采用的原理如图7所示[10]。

NIST利用EOS技术研究了高速光电探测器的校准技术，得到了共面波导上的超快电脉冲时域波形[11]，原理如图8所示。通过测量共面波导取样参考面上的电脉冲波形，再采用相应的修正方法来修正微波探头和共面波导对脉冲波形产生的影响，准确测定了高速光电探测器在0.2~110GHz范围的幅频响应，并分析了测量不确定度。NIST还研究了利用系统校准后的高速光电探测器校准宽带取样示波器的技术，利用校准后的高速光电探测器作为传递装置开展了取样示波器的校准服务，并针对示波器的响应提出一系列的修正技术，如图9所示。目前，美国NIST超快电脉冲波形校准能力可达200GHz，能够满足商用宽带取样示波器的校准要求[12]。此外，韩国标准与科学研究院和法国国家计量研究院利用内电光取样技术研建了超快电脉冲波形测量系统，并实现对带宽50GHz的脉冲波形的测量[13,14]。

图7 德国PTB超快电脉冲波形测量系统的原理示意图[10]

图8 美国NIST的高速光电探测器测量系统[11]

图9 示波器响应修正的流程图

我国的脉冲波形参数计量能力已步入国际领先行列，中国计量院和北京无线电计量测试研究所已经建设了太赫兹脉冲波形的计量能力，上升时间测量可达5ps，还受邀参加了2018年的国际太赫兹脉冲波形测量能力比对。但是对于更高带宽的仪器与器件而言，当前国内计量测试能力还不能够满足应用需求，有待进一步提高。

（四）频率参数

频率作为电磁波重要的基本参数之一，其准确测量与传递极其重要。自2005年J.Hall等人因光学频率梳获得了诺贝尔物理学奖以来[15]，基于飞秒激光频率梳技术的测量方法已经从一个理念变成了准确测量光学波段频率最可靠的手段。2008年，日本大阪大学的研究者首次将频率梳的概念推广到太赫兹波段，并基于频率梳原理对太赫兹频率进行了测量，使被测源的频率误差低至0.56Hz，相对不确定度达到2.4×10-11[16]。光频梳作为准确测量频率的尺子，其在太赫兹波段应用的原理如图10所示。重复频率为f的飞秒光学频梳与光电导天线作用可产生稳定的太赫兹频梳，第m根梳齿的频率为mf，然后将待测太赫兹波fx与太赫兹频梳混频，两者差拍产生射频信号fb，fb和f可由射频仪器直接测量。

国内外更多的学者将太赫兹频率溯源研究锁定在频率梳上，并将太赫兹频率溯源至原子频标上[17–19]，实现量值溯源至国际单位制基本量。2009年，NPL采用通过自主研制的薄片干涉组件实现了50GHz~5THz的频率测量，通过薄片金属栅的位移来标定所测太赫兹频率，也使得其能将太赫兹频率溯源至长度标准上[20]。2011年，PTB采用同步非稳定重复频率太赫兹系统实现了12×10-14的相对不确定度，误差仅为0.001Hz，原理如图11所示[21]。2016年，日本情报通信研究机构（NICT）采用锁相技术实现了单模3THz量子级联激光器的频率稳定度测量，该测量结果表明，在外差混频产生的噪声忽略不计的情况下，频率稳定度在10-15量级，与微波时频基准水平相当[22]。

图10 太赫兹频率梳原理图[16]

图11 同步非稳定重复频率太赫兹系统原理图[21]

光频梳在频率测量准确度方面更有优势，作为未来高准确度频率校准手段将得到更广泛的关注。传统的光频梳系统需要很多体积、质量较大的设备，影响了其进一步的拓展。不过，随着精密加工工艺的发展，许多光频梳系统中的关键设备可以使用高度集成的形式，如图12所示[23]，这将进一步推动光频梳技术的应用。目前，国内对光学频率梳技术已开展了较多的研究[24,25]，但是将该技术用于太赫兹频率测量的报道还较少。

（五）光谱参数

太赫兹光谱技术是近些年来迅速发展且应用领域不断扩大的一种新型测量和分析手段。20世纪80年代，AT&T、Bell实验室和IBM公司的T. J. Watson研究中心提出了一种非常有效的相干探测技术。因为其所针对的频段范围，早期又被称为远红外频谱技术。通过分析和处理光谱信号就可以获得被测样品的复介电常数、复折射率、吸收系数等参数，实现样品的物质识别，获得大量重要的物理和化学信息。该技术已经推广至太赫兹成像、太赫兹雷达等应用领域，解决其计量问题成为当务之急。

NPL对太赫兹光谱校准开展了一系列研究，包括参数估计、信号处理、测量表征、测量不确定度和校准方法等方面。在校准方法方面，NPL对与频率相关的动态范围、信噪比、测量带宽提出了具体的校准方法。通过对一系列的标准材料进行表征，设计制作了能够用于太赫兹光谱校准的标准气体室和高阻硅片组，可以用于频率准确度和幅度线性度的校准，如图13所示。NPL还从系统和被测样品两方面对测量不确定度的来源进行了分析[26]。

澳大利亚阿德莱德大学利用物理模型对样品和太赫兹波之间的作用进行了研究，并首次针对提取后参数的测量不确定度进行了系统性分析。阿德莱德大学对系统和测量过程中的误差来源进行了归纳，并计算了每个误差来源对最终输出量的影响，如图14所示[27]。

NMIJ研究了针对太赫兹光谱分析仪的一套简单的校准方法，利用光学透明的太赫兹空气标准具，该标准具适用于近红外和太赫兹频域，其频率误差在±3GHz以内，相对不确定度小于1%。此外，NMIJ利用金属膜衰减片组设计了程序控制的太赫兹步进衰减器，并具有良好的重复性和平坦度，如图15所示，能够在一个很宽的动态范围内对太赫兹光谱分析仪进行线性度估计[28]。

中国计量院邓玉强等人使用太赫兹反射脉冲作为传递标准，对太赫兹光谱分析仪的线性时基误差进行了校准，对平移台的线性误差进行了修正，提高了光谱的可重复性，其实验原理图如图16所示[29]。该技术可以对每个太赫兹脉冲进行修正，并可用于太赫兹光谱的在线校准。与传统的太赫兹光谱分析仪的结构相比，该技术不需要另外的光学器件，也不会降低系统的性能。

图12 分子激光器和毫米级的量子级联激光器实物图[23]

图13 NPL研制的高阻硅片组和标准气室及所使用的太赫兹系统原理图[26]

图14 太赫兹光谱测量的误差来源及不确定度传播过程[27]

图15 太赫兹步进衰减器

图16 用于在线太赫兹光谱校准的实验原理图[29]

太赫兹光谱测量设备的计量测试技术尚不成熟，其测量不确定度还比较大，严重制约了测量结果量值的准确性和统一性。所以，如何进一步提高太赫兹光谱参数的计量能力，将成为近期较为重要的研究方向。

三、建议与展望

科研人员将对电磁波的研究拓展至太赫兹频段，从而产生了新的太赫兹研究领域。计量测试技术作为基础性技术在太赫兹频段发挥着重要作用，包括：（1）太赫兹频段计量测试技术为太赫兹频段的应用提供保障，同时也受太赫兹技术发展的牵引；（2）太赫兹频段计量测试技术以微纳加工、激光工艺、集成光电子学、新材料等支撑技术为基础，同时也在促进支撑技术的发展；（3）太赫兹频段的计量测试技术需要并推动着如微波技术、光学、电子学、计量学等相关专业的交叉融合。所以，太赫兹频段的计量测试技术作为基础和纽带性技术，体现出明确且急切的发展需求。

针对我国太赫兹计量测试技术的现状及未来发展需要，提出以下几点建议。

（一）多专业多参数的交叉融合

随着频段的升高，相关器件不断小型化、集成化，许多基本参数之间的界限变得不再确定。例如，基于网络分析仪进行的测试往往能够同时获得阻抗、相位、衰减等参数的量值，而且各量值间可能还存在着相关性。又例如，快速发展的无线通信中，传统的参数已经不能满足通信系统性能的评价要求，众多基于统计的、综合性的参数正成为行业中更为关注的焦点。所以，要尽力实现传统参数之间的交叉融合，为计量测试提供便利，并有机会催生出更合理、更具代表性的参数，促进相关应用领域的发展。

（二）大力开展和推动理论基础研究

当前，我国在太赫兹领域开展的研究更加注重工程化和系统级，理论研究方面与国外尚存在一定差距。而从国外的情况可以发现，能够长期引领行业发展的团体，无一不是注重理论基础研究和技术预先研究的。所以，需要进一步开展和推动理论基础研究。理论基础研究将更加有力地促进计量测试技术的创新，提高核心竞争力。

（三）加速支持太赫兹频段仪器和器件的国产化

高性能的仪器和器件是太赫兹技术研究所必需的硬件条件，但其中大部分产品还需要依赖国外的厂家，如高频段的探针、性能优良的黑体、网络分析仪扩频模块等。受这类仪器的限制，我国有许多计量研究工作无法开展，制约着计量测试能力的提高。所以，自主产品的研发至关重要。我国的仪器开发能力与发达国家存在巨大差距，需要长期的技术积累，从集成电路工艺流程、精密加工、特殊材料生长等各个方面不断攻关，逐步实现高性能仪器产品国产化。