三大技术催熟太赫兹产业化

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来源：中为咨询www.zwzyzx.com 【日期：2016-05-10 12:00:26】【打印】【关闭】

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太赫兹技术可以分为三个层面，即：太赫兹发射源、太赫兹探测、太赫兹元件。随着石墨烯技术、超材料技术、MEMS 技术的不断成熟，太赫兹技术已经从实验室走向市场，产业化条件已经十分成熟。

图 1:三大技术助力太赫兹技术成熟

石墨烯+太赫兹打破摩尔定律

石墨烯与太赫兹科学有着内在的必然联系。太赫兹和石墨烯的相结合可以使单个电子元件的尺寸小于 10nm，将来可能会用石墨烯来制作整个电子线路,包括电极、导电沟道和量子点，进而打破摩尔定律终结的预言：

 石墨烯内部的等离子体震荡频率就是在太赫兹波段。在 6 月 21 日《自然》杂志上，美国加州大学圣地亚哥分校的科学家沿石墨烯表面激发出电子波，并可以控制这些被称为等离子体振子的振荡波的长度和高度，就像光能够通过光纤携带复杂的信号一样，等离子体振子也能被用于传输信息，然而光的波长就有数百纳米，因此不可能将光限制在纳米级别内。石墨烯使得在无法使用光的紧密空间内，利用等离子体振子进行信息处理成为可能。

 太赫兹可激发石墨烯中被束缚电子成为自由电子，从而使得利用石墨烯制造半导体成为可能。双原子层石墨烯或者外延生长的石墨烯禁带宽度可以设计为 0~0.3eV，正好覆盖太赫兹频段。这使得石墨烯可以像半导体硅器件一样工作。当分立器件的尺寸到达 10nm 的时候，硅工艺就会遇到瓶颈。另一方面，当石墨烯缩小到只有几个苯环尺寸大小的时候，仍然可以保持很高的电导率，而硅和金属无法做到这一点。 2013 年，7 月 6 日，美国麻省理工学院(MIT)的研究人员们透过在两层铁电材料间夹进高迁移率的石墨烯薄膜，从而实现可直接在光信号上操作的太赫兹级频率芯片。

图2:石墨烯芯片

图 3:石墨烯 THz 薄膜

通过调节石墨烯中的能级与载流子浓度，载流子浓度的升降会造成石墨烯结构的电阻率的变化，从而可以进一步用于太赫兹波的调控。石墨烯的这种独特性质使其可以被用在其他太赫兹器件方面，2012 年意大利 L.Vicarelli 等人制作了石墨烯太赫兹探测器，并应用于太赫兹成像：

 太赫兹调制器和滤波器：在外场作用下，石墨烯表现出较高的电致电阻和磁致电阻, 可以用来改变太赫兹光在石墨烯器件中透射率或反射率, 从而实现太赫兹调制器，滤波器的频率范围也可调，因此可以制作石墨烯太赫兹滤波器。

 太赫兹波导：石墨烯优良的导电率和二维平面性质使其成为太赫兹波导材料的自然选择。

 太赫兹起偏器：石墨烯可以很容易地长在硅片或碳化硅衬底上。窄带的石墨烯阵列对太赫兹光具有各向异性的透射率，从而可以作为太赫兹起偏器使用。

 太赫兹分光器：多层石墨烯可以用作太赫兹光的分光器，而且其透射光与分射光的比例可以通过石墨烯的层数及外加电场的大小进行调节，使得连续可调的太赫兹分光器成为可能。

图 4:THz 起偏器构造图

图 5:THz 系统成像效果

MEMS+太赫兹打造小型传感器

根据麦克斯韦方程组的解，波长越短，相关的射频器件( 波导、滤波器、天线等) 尺寸规格越小。并且由于趋肤效应和相关的射频损耗对器件的内部表面粗糙度提出了很苛刻的要求。采用目前的传统加工制造工艺很难实现：

 一种加工方法是基于铣磨抛的传统机械加工工艺，很难加工如此小的紧密器件，加工误差较大;

 另一种方法是微电子和超大规模集成电路制造技术，但很难制造尺度为几百微米的三维结构。

微波器件进入 THz 频段，器件的尺寸缩小、加工精度要求提高。传统的加工手段加工此类“鸡肋” 器件将变得非常困难，成本大幅度提高。对于一些复杂的三维 THz 器件，是几乎不能完成的，新的 THz 频段准光学器件和波导器件的发展已经受到严重制约。基于硅基的微加工技术的出现，为 THz 器件的设计和加工带来的曙光。微机电系统(MEMS)技术是以微电子技术为基础而兴起发展的，以硅、砷化镓、蓝宝石等为衬底材料，将常规集成电路工艺和微机械加工工艺相结合，全面继承了氧化、光刻、扩散、薄膜、外延等微电技术，还发展了平面微机械技术、体硅腐蚀技术、固相键合技术、 LIGA( 德语 lithographie， galvanoformung， abformung)技术等，应用这些技术手段制造出层与层之间有很大差别的三维微结构，包括膜片、悬臂梁、凹槽、孔隙和锥体等，即微机械结构。这些技术在 THz 领域的应用可以分为三类：

 尺度缩小效应的三维组件制造技术。

 通过去除关键电磁组件周围的部分或全部电介质减少平面集成电路衬底模式损耗的技术。

 集成可调谐微机械组件技术。

MEMS 技术为 THz 器件的加工提供了一种非常有效的手段。无论是几何结构还是加工质量都能很好地满足设计要求。采用表面微机械， DRIE， LIGA 和 SU—8 等单一或者组合技术，可以获得性能很好的 THz 无源器件。波导、滤波器、传输线、光子晶体等大量 THz 器件采用 MEMS。

图 6:MEMS 光刻技术

超材料+太赫兹制造高功率发射源

前苏联科学家 Veselag 在麦克斯韦方程的基础上，研究出当介电常数与磁导率同时为正，那么电场、磁场和波矢呈右手螺旋定则；当介电常数与磁导率同时为负，此时电场、磁场和波矢呈左手螺旋定则，这就是左手材料也就是超材料的产生。2003 年，超材料被美国 Science 杂志列为当年的“十大科学进展” 。在过去的几年中，超材料已广泛应用于雷达天线、微波滤波器和衍射镜头等各种设备中。

图 7:左手超材料

THz 既不完全适合用光学理论来处理，也不完全适合微波的理论来研究，这使得 THz 光源技术的发展和应用十分困难。近年来快速发展的量子级联激光技术和超快光电导开关技术的快速发展，将通信频率上限从 GHz 提升到 THz。传统产生 THz 波的技术是使用飞秒激光激发无机晶体，然而这种方法产生的 THz 波强度很弱，难以被检测。并且只能在很窄的带宽范围内产生 THz 波，限制了 THz 波的实际应用。

美国艾奥瓦州立大学的阿姆斯实验室与德国卡尔斯鲁厄理工大学共同发现：当一种二维纳米尺度金制超材料谐振器被近红外飞秒激光照射的时候，一束很强的宽带太赫兹电磁波被发射出来。这种超材料技术为 THz 大规模工业化应用奠定了基础：

 超材料可以被波长为 1.5μm 的激光所激发。在光通信领域中，这是一种标准波长，这也是为什么市场上有那么多廉价但高质量的光学组件和激光器的原因，这成为大规模、低成本的 THz 系统制造的先决条件。

 超材料激发出的 THz 带宽高达 4THz。THz 的工业应用要求要求其有较宽的带宽，传统的无机晶体光源释放的 THz 波带宽上限只有 1THz，超材料使得 THz 可以被广泛应用于工业检测。

 超材料的厚度只有 40 纳米。便携式的 THz 检测装臵是 THz 产业化的必要条件，超材料从厚度到直径都在纳米级别，辅以近年来快速发展的 MEMS 工艺，使得 THz 发射极和接收机集成到一张小小的芯片上成为可能。

图 8:超材料构造