面向6G无线通信应用的太赫兹收发器

2021-11-24张真真谭智勇曹俊诚

无线电通信技术 2021年6期

张真真，王长,2，谭智勇,2，曹俊诚,2*

(1.中国科学院上海微系统与信息技术研究所太赫兹固态技术实验室，上海200050；2.中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049)

0 引言

太赫兹(Terahertz,THz)波是频率在0.1～10 THz的电磁波，在电磁波谱中位于红外和微波之间。近年来，THz技术因其在快速成像、无损探测、太空遥感、材料表征和高速无线通信等领域巨大的应用潜力而取得了显著进展[1-6]。在无线通信领域，虚拟现实(VR)、自动驾驶、远程医疗、物联网、脑机接口等越来越多新兴技术的发展将需要比5G网络更高带宽和更快的数据传输速率[7]。当最小带宽达到几十GHz时，必须在THz范围内使用更高的载波频率。THz无线局域网和蜂窝网络可以为这些新兴的技术提供每秒数T比特(Tbit/s)的超高数据传输速率和高速无线数据分发[8]，成为6G的关键候选波段[9]，文献[10]描述了6G无线通信技术的未来愿景[10]。现在，世界上许多研究小组已经开发出频率超过100 GHz的通信链路。特别是，在275 GHz以上，有可能为无线电通信应用提供超过50 GHz的超大带宽[11]。

THz无线通信技术的发展势必会推进新技术的革新，包括收发器、通信设备、链路、软件、信号处理和系统的突破性进步。例如为了解决障碍物对信号的阻挡问题，科学家提出了一种全新的基于可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,RIS)的无线通信技术[12-14]，通过巧妙地调整反射元件的相移来控制光束的传播方向，提高覆盖性能。此外，紧凑、轻便、易于操作的THz波收发器是高频无线通信系统的关键核心技术。基于光子学原理的收发器在信号生成、调制和检测方面具有很强的实用性，既可以实现超宽带和超高速传输，又易于与现有的光纤或无线网络相结合[15]。实际上，在THz技术研究之初，科学家们已经开始使用THz光子学器件进行THz波无线通信的探索[16-18]。

在THz频段内，基于III-V族化合物半导体材料的单行载流子光电二极管(Uni-traveling-carrier Photodiode，UTC-PD)备受青睐，在约300 GHz的频率范围内可以达到毫瓦级输出功率[11]，是毫米波/THz波无线链路中发射器和接收机的理想器件。肖特基二极管(Schottky Barrier Diode,SBD)混频器是THz外差混频技术的一种基本元器件[19]，通常与具有宽带天线集成的UTC-PD结合使用，形成THz无线互连系统。随着先进半导体工艺的不断发展，SBD可以与许多无源器件(例如滤波器和波导等)集成，在应用于高频探测时能发挥更优异的性能[20]。THz量子级联激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)具有调谐范围大、能量转换效率高等优点，是1～5 THz无线通信波段非常重要的THz源。自2002年首个THz QCL诞生以来[21]，为了提高工作温度和输出功率，科学家们进行了大量的研究工作，使得器件的工作温度和输出功率有了大幅度提升[22-24]。THz量子阱探测器(Quantum Well Photodetector，QWP)具有响应速率快、光谱分辨能力强的优点，非常适合高频和高速通信的探测应用。本文逐一介绍了面向6G无线通信系统应用的4种THz收发器件的基本原理，以及基于这些器件实现的THz无线通信系统。

1 单行载流子光电二极管(UTC-PD)

超快光电二极管是电学和光学转换技术的关键器件，在准光学THz无线通信系统中起到光电转换的作用。UTC-PD是一种很有前途的紧凑、易集成、高功率和超宽带的THz波收发器，工作频率一般在0.3 THz以上。与传统的光电二极管相比，超快的载流子渡越时间和超高的饱和电流决定了UTC-PD拥有超快的光电转换速度和更高的功率，这些显著优势使UTC-PD既可以用于THz光通信中的高速探测器，也可以用于大功率的THz波发生器。

1997年，Ishibashi等人基于InP/InGaAs材料体系发明了第一个UTC-PD器件，验证了器件的快速响应特性[25]。UTC-PD的能带结构示意图[26]如图1所示，器件包含了一个p型窄禁带光吸收层和一个宽禁带的载流子收集层。吸收层中的光生电子漂移或扩散到耗尽的载流子收集层中，同时，光生空穴通过它们的集体运动在介电弛豫时间内快速移动到扩散阻挡层。电子在器件工作中起主要作用，因此，UTC-PD的光响应速度主要由整个结构中的电子传输速率决定，电子的有效质量比空穴小得多，从而使器件具有更短的载流子输运时间和更快的光响应。光吸收层和光收集层可单独设计，通过减小吸收层的厚度，可以缩短载流子(电子)的输运时间，从而使器件适用于高频应用。

图1 UTC-PD的能带结构示意图Fig.1 Band diagrams of UTC-PDs

2005年Ito等人采用UTC-PD与宽带对数周期天线集成的方法，制作出准光学输出端口的光混频模块，该模块的工作频率高达1.5 THz，并在1.04 THz下产生了2.3 μW的输出功率[27]。经过不断地优化，该课题组于2014年报道了利用蝴蝶天线和UTC-PD集成的光混频模块，产生了频率高达2.5 THz的THz波。该混频模块在300 GHz频率下，输出功率达到10 μW。UTC-PD光混频模块的实物图[28]如图2所示。

图2 直径5 mm硅透镜和光纤的天线集成的UTC-PD 光电混频器模块Fig.2 Antenna-integrated photomixer module with Si-lens (5 mm diameter) and fiber-pigtail

基于UTC-PD的准光学光混频模块具有很多优点：① 可以根据带宽等实际需求，选择需要集成的天线类型，如图3所示，分别为喇叭天线、对数周期天线以及偶极子天线集成的UTC-PD的显微照片[16]；② 不需要为了高频应用，而增加波导制作工艺的复杂度等。最重要的是该模块可以在室温和连续波条件下运行，无需任何冷却。基于UTC-PD的连续THz波信号发生器，可以在350 GHz时产生0.5 mW的输出功率，在1 THz时产生10 μW的输出功率，在很窄的谱线宽度和很宽的频率范围内调谐输出信号[16]。

(a) 喇叭天线集成的J 波段模块

(b) 对数周期天线集成的UTC-PD 光混频模块

2012年，Song等人报道了基于UTC-PD发射器和SBD接收机的无线通信链路，该链路在300 GHz频率下的传输速率是24 Gbit/s。该链路的THz发射器和接收机均在UTC-PD的同一外延层上制造，传输距离在50 cm左右时，误码率小于1×10-10[29]。2014年，Ducournau等人成功搭建了基于相干THz光频梳的无线通信链路，该系统使用高灵敏度的UTC-PD作为THz波发射器和电学接收机，在200 GHz频率下，数据传输速率高达11 Gbit/s[30]。

2021年Li等人提出了一种基于Mach Zendell调制器(MZM)的光频梳和用于信号调制的同相正交调制器(QAM)产生THz波信号的新方法，并通过仿真演示了16路QAM矢量THz波信号的产生和传输。UTC-PD作为该系统的THz发射器，外差拍频后产生390 GHz的THz波射频信号[31]。

在实际应用中，需要考虑器件的功率和散热性能。例如：采用UTC-PD与微带天线阵列集成的方法，可以克服单个器件功率较低的限制[32]，采用阵列天线集成可将模块的总输出功率提高到mW量级等。为了有效地传递光电二极管的热量，可以使用硅衬底晶圆键合和金属-金属热沉键合的方法。通过不断地优化，准光学THz无线通信系统中的关键器件——UTC-PD，已经成为较低频段THz波无线通信最有前景的发射和接收器件。

2 肖特基二极管(SBD)

SBD是毫米波/THz波段外差混频技术的一种基本元器件。当金属和半导体紧密接触时，在半导体表面就会形成肖特基势垒。由于金属和半导体的不同功函数，接触结产生静电屏障，这是SBD具有整流特性的原因。当THz电场在肖特基势垒中产生的电压足够大时，半导体中的电子就会穿过势垒到达金属，从而产生响应电流，这就是SBD工作的基本原理[20]。SBD的等效电路如图4[33]所示，其中Rs为串联电阻，Cj为结电容，Rj为结电阻。决定SBD探测和混频性能的主要因素是它的截止频率。SBD的截止频率与其串联电阻Rs和结电容Cj成反比。对于高频应用的SBD来说，结电容一般在pF量级，这就需要半导体材料拥有较高的载流子迁移率和饱和速度。对于在毫米波/THz波段工作的SBD，可以选择GaAs和InP材料体系来制作[33]。在THz准光学无线通信系统当中，SBD通常用来与UTC-PD发射器相结合，对THz波进行直接探测和外差探测。

图4 SBD等效电路Fig.4 A principal equivalent circuit model of SBD

2010年，Ito等人开发了一种集成UTC-PD、SBD和平面环行器电路的紧凑型亚THz收发模块。所有部件都组装在一个紧凑的矩形波导输出包中，以便在J波段(频率范围10～20 GHz)工作。这是在300 GHz左右工作的连续波光子毫米波收发器模块的首次演示[34]。2015年，该课题组研制了基于InGaAsP材料的SBD THz波接收机模块[35]。该模块可以检测200～500 GHz频率的信号，其在350 GHz的峰值探测灵敏度为1460 V/W。这是准光学系统中，InP基零偏置SBDs的一个记录值。该课题组还通过集成SBD和蝶形天线，开发了偏振敏感的亚THz波探测器，所制备的准光学模块能够在零偏压下检测30 GHz～1 THz频率范围内的信号。Li等人报道了一种用于毫米波/亚THz频率的紧凑型准光学零偏置SBD(QO-SBD)包络探测器，在该系统中，SBD探测器安装在超半球硅透镜上方的蝶形天线上，实现了10 GHz的3 dB视频带宽，这是宽带准光学型探测器实现的最高值[33]。

中国工程物理研究院电子工程研究所太赫兹研究中心成功研制了一种SBD技术的340 GHz T/R前端[36]。该前端实现了16 QAM高阶调制的340 GHz通信，数据传输速率为3 Gbit/s。近期Kim等人成功实现了基于光子学的直接调制分布反馈激光二极管(DFB-LD)的THz无线传输系统，其工作原理如图5所示[37]。该系统采用喇叭天线集成的UTC-PD将THz波发射到自由空间，采用带有喇叭天线集成的SBD直接探测自由空间的THz波，成功地实现了THz波无线传输，最大传输距离为2.2 m，数据传输速率达到25 Gbit/s。

图5 基于直接调制分布反馈激光二极管(DFB-LD)的光子学THz无线传输系统Fig.5 Experimental setup for investigation of transmission performances of photonics-based THz wireless delivery system

3 太赫兹量子级联激光器(THz QCL)

THz QCL具有体积小、易集成、工艺成熟、性能稳定等优点，是THz波段非常重要的一种大功率半导体固态激光源。这种窄带的THz源对于高分辨率光谱应用，无线通信和极高带宽的卫星间通信链路特别有吸引力[38]。THz QCL的能带结构如图6所示[21]，QCL的有源区通常是几十甚至上百个周期的量子阱和势垒交替生长而成，通常基于GaAs/AlGaAs材料体系制作。这样的级联结构，在每一个周期都可以释放光子，从而提高了器件的输出功率。器件辐射的中心频率由子带间能量差决定。在THz QCL中，光子能量比LO(纵光学声子)的能量低，工作温度较高时，热激发的声子散射会使较高能级电子的寿命降低，影响THz QCL的增益[39]，因此THz QCL工作时需要连续的低温制冷。

在实用光子通信系统当中，科学家希望THz QCL可以在连续波和高温条件下工作。近十年中，THz QCL在工作温度、输出功率、光束改善和器件稳定性等方面发展迅速[40-42]。表1为直到2019年THz QCL器件的研究进展[43]。

图6 THz QCL有源区的能带结构图Fig.6 Conduction band structure of the laser active core

表1 THz QCL器件主要参数的研究进展

作为THz波段光子学无线通信系统的发射器，THz QCL可以产生1 THz以上的高频信号。低于2 THz工作频率的THz QCL通常需要加强磁场[44]。通过外调制器，QCL可实现调制频率在10 GHz以上的直接调制[45]。2010年，中科院上海微系统所的曹俊诚团队成功实现以THz QCL为光源，以THz QWP为接收器的THz无线模拟通信链路[46]。该无线链路的基本原理如图7[46]所示。该课题组随后实现了基于THz QCL和THz QWP器件的20 bit/s的THz实时无线传输，误码率≤1× 10-8[47]，验证了THz QCL和THz QWP作为高速THz无线通信系统收发器的潜力。从理论上讲，THz QCL与中红外 QCL类似，其电子寿命可以达到皮秒量级，本征带宽能达到100 GHz[45]。

图7 基于THz QCL和THz QWP的无线通信链路Fig.7 Scheme of THz transmission setup based on THz QCL and THz QWP

4 太赫兹量子阱探测器(THz QWP)

红外量子阱探测器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)具有超高速调制性能，调制带宽可以达到几十GHz[48]。2017年，法国巴黎第七大学的Todorov课题组报道了第一个基于微腔结构的室温工作的红外QWIP外差探测器，并用两个QCL拍频，探测到了4 GHz带宽的外差信号[49]。在理论上，THz QWP是QWIP在THz 波段的自然扩展，两者具有类似的高频高速探测性能。THz QWP是一种基于子带间跃迁的单极半导体固态器件，峰值探测频率在3～7 THz范围，具有体积小、易集成、响应速度快、灵敏度高的特点，非常适合用于THz波段的高速无线通信的接收机。

THz QWP的探测原理为：当THz波入射到器件的光敏面时，位于量子阱中的束缚电子吸收光子能量后跃迁到接近势垒边的准连续态，这些光生载流子在外加偏压的作用下形成光电流，通过测量光电流信号的变化就可以实现对THz光的探测[20]。通过调节有源区的势垒高度、量子阱宽度以及材料的掺杂浓度等参数可以设计不同峰值响应频率的QWP器件[50-51]。较低的子带间吸收效率是制约THz QWP探测性能的主要因素，常规的QWP采用45°斜面入射的耦合方式。为了进一步提高器件表面的光收集效率，入射方式还包括一维或二维金属光栅耦合[52],THz QWP两种耦合方式的示意图如图8[53]所示。此外，采用金属微腔耦合结构可以大幅提高器件对入射THz光的吸收效率，即等效为提高光收集效率，进而可以提高器件的工作温度和探测灵敏度[54]。

(a) 金属光栅正如射耦合

(b) 45°衬底斜面背入射耦合

2017年，曹俊诚课题组采用基于微带线高速封装THz QWP的全光学系统，实现了6.2 GHz调制带宽的高速调制，验证了THz QWP的高速调制性能。该系统实验装置如图9所示[55]，光源采用中心频率为4.1 THz 的QCL，高速调制的THz光入射到THz QWP之后会转化成光电流，该电流也是被高速调制的。采用40 GHz调制带宽的Bias-T来检测调制包络，之后采用低噪声放大器对信号进行放大，最后在频谱分析仪上进行信号测量。

同年，Paulillo等人报道了峰值探测频率为3 THz的三维开口环结构高速QWP阵列探测器，其结构如图10(a)所示，该器件包含了300个微腔单元，每一个单元都是一个开口环形天线，该器件可以工作在至少2.5 GHz的高速调制速度下，微腔阵列探测器的RF响应测试装置如图10(b)所示[56]。

图9 THz QWP高速调制实验装置Fig.9 Experimental setup of the fast terahertz detection using a microwave transmission line equipped terahertz QWP

(a) 探测器示意图及显微照片

(b) THz QWP高速调制实验装置图10 三维开口环结构高速THz QWP阵列探测器Fig.10 High speed THz QWP array detector with three-dimensional split ring structure

5 结束语

随着6G应用场景中数据流量的指数增长，THz频段的无线通信技术引起了全世界的高度关注。THz无线通信接收机是THz无线通信技术研究的关键。采用天线集成的UTC-PD与SBD相结合的准光学无线传输系统，可以在1 THz以下，实现高达十几Gbit/s的数据传输速率。在2～7 THz的高频波段，采用低温制冷的THz QCL作为大功率发射器，高灵敏度高速探测的THz QWP作为接收机，可以进行GHz带宽的高速调制。对于这些很有潜力的THz波段收发器，仍然有许多技术瓶颈需要突破。例如：为了适合于高频应用，UTC-PD的发射功率和SBD的截止频率还有待提高；对于大功率的THz QCL发射器，需要有效提高器件的工作温度、光束质量和能量转换效率，并使其更稳定地工作在连续波模式下；低温下THz QWP的高速封装和大规模阵列器件的制作技术仍然有待开发。从长远来看，随着THz波无线通信系统对收发器需求的不断增加，相应的收发器研制技术必将日趋成熟。