活用電子/光子技術　產製THz波源應援6G研發

本文將討論太赫茲技術的挑戰及克服方式，並以羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz, R&S)的開發和分析測量工具為示例，說明太赫茲的技術特性及發展要點。

消除「太赫茲能隙」

在通訊中，0.1THz至10THz的頻率範圍仍是尚待開發的領域。由於高載波頻率帶來前所未有的通道容量可擴充性，針對相關領域進行研究的興趣日漸高漲。

長久以來，要產生密集定向的太赫茲輻射十分困難，太赫茲範圍也被認為是電磁頻譜的領域邊界。主要的技術限制，即所謂的「太赫茲能隙」，如圖1繪製的各種電子和光學元件太赫茲發射功率與頻率的函數關係。本文稍後將詳細討論一些相關示例。顯然，在太赫茲頻譜0.1THz至10THz範圍內，功率呈下降趨勢。

主要由於損耗過大和載子速度有限，太赫茲頻率於電子設備而言過高。另一方面，由於缺乏能隙夠小的材料，太赫茲的頻率於光學設備而言過低。

儘管業界在電子裝置(如高遷移率半導體材料)和光學元件(具有低溫冷卻的量子級並聯雷射)方面成果顯著，太赫茲頻率範圍附近的可用功率仍然遠低於其他頻譜範圍內的可用功率。訊號檢測中也呈現出類似趨勢，這一差距致使二十年來頻譜發展水準難以滿足當今世界對於頻譜與日俱增的需求。

電子和光子邊界線上的太赫茲輻射源

有三種主要方法可產生太赫茲(THz)輻射(圖2)。相關示例將在以下章節中詳細描述。

．電訊號源

過去幾年，特別是隨著各種半導體材料元件不斷改進，電訊號源的「經典」使用方法取得了巨大發展。

這些電訊號源包括倍頻鏈(升頻)、諧振隧道二極體(RTD)、電晶體和二極體，其優點是元件極其縮小化並可在室溫下操作，但在頻寬和效率方面有一定限制。然而，電訊號源在太赫茲頻率下相對低效，並且頻率調整範圍相當有限。

．直接產生太赫茲波：QCL

用光源直接產生太赫茲波的方法包括極其簡潔的量子級並聯雷射(QCL)方法、非線性光學方法(光學參量過程)和分子雷射方法(低效而笨重)。儘管QCL已經可以達到相當合理的功率水準，但效率仍然有限，且通常必須在低溫下操作。

．間接產生太赫茲波：光電子裝置

近年來，0.5THz至10THz範圍內的頻率也已列入雷射技術領域。光電子(光子)方法使用可調諧二極體雷射或飛秒雷射。光混合器、光導開關或非線性晶體可將近紅外雷射轉換為光譜分辨太赫茲波或寬頻太赫茲波。

過去幾年來，一種特殊方法引起了越來越多的關注，即使用超快光電二極體和光電導體從光頻範圍進行「降頻」。其主要優點為可大範圍調諧、可在室溫下操作和有可能重複使用為光纖通訊開發的成熟技術。雖然對於power envelope仍有一定要求，但其效率仍有局限。

升頻：電子太赫茲波的產生與分析

自1933年羅德史瓦茲(Rohde & Schwarz)成立以來，其核心競爭力一直是為所有相關電子和微電子領域開發和製造先進的射頻測試和測量設備。為支持廣大6G研究活動，包括半導體產業在毫米波和太赫茲範圍的裝置和電路特性研究，羅德史瓦茲公司提供了各式開發和分析測量工具。

基於向量網路分析儀的太赫茲測量

業界對於支援毫米波和太赫茲範圍測量的向量網路分析儀(VNA)的需求日趨旺盛。在E頻段(60GHz至90GHz)，向量網路分析儀可用於特徵化晶圓探針系統和波導元件中的主動及被動元件，也可用於其他應用。即使在更高頻率，網路分析儀也可廣泛用於測試積體電路、感測器和天線、成像系統、無線電天文系統和材料。5G無線通訊標準和汽車雷達感測器催生了大量測試需求。

雖然一般網路分析儀足以支援從幾GHz至67GHz頻率範圍的測量，但因毫米波和太赫茲範圍的測量需要使用外部變頻器(使用R&S ZC1100可覆蓋至1.1THz)，相應範圍的測試要求明顯更高。這類擴頻器向上轉換觸發訊號並向下轉換響應訊號，進而表現可在太赫茲頻率範圍內操作的裝置特性。

．主動元件的晶圓上特徵化

為了表現線性和非線性範圍內的主動元件特性，探針尖端需要具有確定的輸入功率。由於無法對晶圓上功率實施校正，因此需要對波導輸出功率進行校正。校正過程中，附加波導、1mm電纜和探針尖端損耗已考慮在內。對於功率掃描和壓縮點測量，R&S ZNA整合校正程序，能夠補償毫米波轉換器的非線性，實現最大動態測量範圍和可重複性測量。通常，使用R&S ZNA在較低頻率下對主動元件進行測量與在高頻下使用系統整合毫米波轉換器進行度量衡等級精度測量一樣方便(圖3)。

為展示系統能力，使用弗勞恩霍夫應用固體物理研究所(IAF)開發的四級325GHz MMIC低雜訊放大器(LNA)來進行測量(圖4)。純量增益|S21|以±95%的信賴區間顯示。

D頻段寬頻訊號的產生與分析

因為有望使用GHz級的更寬頻寬來達到最高資料速率，D頻段(110GHz至170GHz)成為6G研究的重點頻段。此處將載波頻率擴展到100GHz以上。圖5展示一套用於支援在該頻率範圍內元件和收發系統研究的測試測量方案。

圖5(左)所示為R&S FE170ST發射器(TX)前端，可將來自R&S SMW200A向量訊號產生器的調變訊號(例如6G的波形)最高頻率到達110GHz至170GHz頻率範圍。與之相對，圖5(右)所示為接收器(RX)前端，可將訊號降頻並將中頻(IF)傳輸至R&S FSW訊號和頻譜分析儀。實驗中，解調訊號表現出優異的向量幅度誤差(EVM)性能，表示量測到的訊號具有極低的相位雜訊。

．MMIC設計

圖6展示了由R&S及其合作夥伴設計，用於測試和測量設備的MMIC樣品，共兩枚。

40GHz至70GHz放大器的尺寸約為4mm×3mm，反映R&S最新一代R&S SMA100B模擬訊號產生器中所用此類電路的標準尺寸。該儀器可提供目前微波範圍內的最高商用輸出功率。

另一個示例為R&S子公司(Radiometer Physics GmbH/RPG)開發的另一款太赫茲訊號源，包含頻率達W頻段的高功率放大器砷化鎵(GaAs)MMIC，以及基於GaAs肖特基二極體MMIC的高功率、高頻率倍頻器。圖7所示為頻率可調訊號源(左)，用於赫歇爾太空望遠鏡上的遠紅外外差儀(HIFI)，頻率達1,100GHz，涵蓋了從遠紅外到次毫米波長的頻譜範圍。圖7(右)所示為捷變頻率及功率源，用於歐洲航天局(ESA)JUICE衛星上的次毫米波儀器(SWI)，頻率達158GHz。

D頻段天線輻射性能測量

在OTA測試概念開發方面，5G開創了將毫米波頻率用於無線通訊的先河。這是因為大規模和高度小型化天線陣列不再適用於傳導測試。OTA天線測試概念可以擴展到D頻段乃至更高範圍，用於探索太赫茲通訊和感測。未來的裝置將為超大規模多重輸入多重輸出(MIMO)和感測應用，整合更多高度整合的主動天線系統。然而，為了研究可重構智慧超表面(RIS)的特性，OTA測試仍有意義。

目前，6G研究重點在於100GHz以上頻率。找到大量100GHz以上的可用頻譜是實現更高資料速率的關鍵。在這種情況下，不僅需要新的寬頻高增益天線概念，還需要在天線測量過程方面取得進展。

從傳統6GHz以下的行動電話服務轉向5G(NR)頻率範圍2(FR2)已然可以算作一項重大技術飛躍。由於路徑損耗隨頻率的平方增加而有所增加，使用者設備和網路基礎設施引入了具有電子波束指向能力的更高增益天線，以確保無線連結的傳輸品質。由於積體電路複雜性隨頻率增加而急劇增加，目前大部分的開發聚焦於D頻段(110GHz至170GHz)和G頻段(140GHz至220GHz)的波導。

在接下來的討論中，將介紹一種基於R&S ATS1000暗室的球形掃描解決方案，對動態範圍有更高要求的D頻段輻射性能進行測量。該解決方案採用了一種可實現直接降頻的全新探針設計，可在170GHz情況下提供大於50dB的動態範圍。

在110GHz至170GHz頻率範圍內測量受測設備(DUT)的振幅和相位相關響應時，無須進行機械修改或額外射頻連線，簡化測試要求。

受測設備為IMST新設計、基於D頻段透鏡的洩漏波饋入天線(圖8)，可用於6G前傳(Fronthaul)點對多點場景。經簡化的饋入結構由一個橢圓透鏡組成，該透鏡低介電常數εr=2.34，由直徑為35mm(170GHz時為20λ)的低損耗高密度聚乙烯(HPDE)製成，因此設計具有成本效益。饋源由一個λ/2的漏波空腔組成，由WR6波導激發。可沿透鏡焦點平面移動饋入訊號源來控制輻射場型。

該天線透過數值建模和使用球面近場掃描的縮小化系統進行實驗評估。在R&S ATS1000移動球面掃描範圍內進行輻射場型測量(圖9)。該全電波暗室包括一個分布式軸定位器。

如圖9中透鏡天線下方所示，DUT饋入組件用於相位同步和時間穩定測量。該倍頻鏈包括一個D頻段亞諧波混頻器(與在探針處使用的混頻器相同)以及一個連接到受測設備WR6分塊的D頻段隔離器。使用R&S ZNA43四埠向量網路分析儀(VNA)進行測量，由前部的一個連接埠將中頻訊號饋送到DUT。

圖9中展示了測量探針概念。一個正交模轉換器(OMT)連接到一個20dBi方形喇叭天線，在整個D頻段頻率範圍內，其3dB波束寬度為16°，交叉極化隔離度為25dB。將DUT設置為接收器(RX)或發射器(TX)時，該元件相互作用並能夠發射或接收兩個正交極化場。降頻或升頻可直接在探針處實現，進而消除射頻頻率下的全部纜線損耗。兩種極化均可同時測量。

圖10中的結果顯示DUT全波模擬和測量之間的出色一致性，證實涉及新探針設計的測量系統和技術具有高精度的性能。採集相位同步資料，如近場轉遠場(NF2FF)轉換，可以成功用於被動天線測量。有趣的是，紅色的未轉換測量結果顯示輻射場型的主波束已經接近於遠場漸進行為。

綜上所述，這樣高效率的D頻段透鏡天線設計可在42%的頻寬上實現大於30dB的增益。使用球面掃描測試系統對該天線進行精確特徵化，該系統可進行穩定的相位同步測量，並可在DUT輸入端和測試探針輸出端直接變頻。相位同步是支援精確應用近場轉遠場轉換算法的必要條件，對準確確定輻射場型零點和旁波瓣功率大小至關重要。

直接產生太赫茲光子：量子級並聯雷射(QCL)

帶間二極體雷射

光頻率與太赫茲頻率：帶間與帶內躍遷多年來，業界普遍認可雷射產生相位同步輻射，即透過激發輻射進行光能放大這一既定概念。由此催生了諸多應用，包括光通訊和光纖技術，也就是當今網際網路的技術基礎。雷射由一個主動媒介(可在具有粒子數反轉的能階之間發生雷射躍遷)、一個反饋腔和數個頻率選擇元件組成。

．帶間二極體雷射

半導體雷射二極體可將電流直接轉換為同調光，因此是最重要的光電元件之一。對於光電子學而言，直接能隙III-V族半導體材料GaAs和GaN最為重要。來自導帶的電子(e-)與來自價帶的電洞(e+)複合，隨後發射一個頻率與能階間能量差相對應的光子(圖11)。帶間二極體雷射價格低廉而高效，可以產生從紫外線到可見光到紅外頻率區間的光子。然而，太赫茲光子的能量比可見光子小100倍到1,000倍，沒有任何材料具有如此小的能隙和粒子數反轉。

太赫茲QCL：異質結構設計的子帶間雷射躍遷

與帶間二極體雷射相反，雷射發射是在QCL中透過使用在週期性堆疊半導體多量子井異質結構(超晶格，圖11)中的帶間躍遷所實現。1994年，傑羅姆．法斯特(Jérôme  Faist)等人在貝爾實驗室的一個研究小組首次證實了該項概念。

圖12展示了週期性量子井異質結構(外延生長的GaAs或磷化銦(InP)結構，厚度為數奈米)及由此產生的量子井能階結構。在製造過程中，可以透過控制層的深度來設計井深。因此，雷射躍遷波長取決於裝置的物理結構(電子波函數工程)。這一概念使得帶間二極體雷射無法獲得的低能性太赫茲光子得以產生。

．工作原理(圖12)

頻率為ν的光子透過電子從激發態|e>到基態|g>的子帶間躍遷發射，其中E=hν為基態和激發態之間的能量差。該概念的一大優點是，負責發射光子的電子可隧穿進下一個量子井(主動區)，隨後發射光子。因此，一個電子可以產生多個光子，使這一過程極為有效。術語「量子並聯」的起源即為從一個量子井隧穿到下一個量子井。

作為參考，850nm的光波長對應於1.4eV的能量差。

2002年，首次證實QCL在太赫茲頻率下可成功操作。自此，QCL在頻率覆蓋、增加功率輸出和提高工作溫度方面取得了迅速進展。透過精心設計量子井，雷射可在短至2.75μm(109THz)和長至161μm(1.9THz)的波長上產生。雖然具有較長波長的裝置仍需要低溫冷卻，但可在室溫操作下進行16μm波長的觀測。關注重點現已集中於中紅外(3.5μm至13μm)和太赫茲頻譜(2THz至5THz≈60μm至150μm)。使用具有腔內非線性混頻的長波長太赫茲QCL源方法甚至可以使頻率低於1THz。

近期發布了一種能在-23℃溫度(珀爾帖致冷器範圍內)下工作的裝置，距離在室溫下實現太赫茲量子級並聯雷射的目標又進了一步。

降頻光子方法：光混合

光電頻域產生太赫茲波：單行載波光電二極體(UTC-PD)和作為光混合器的PIN光電二極體。

最近，一種間接產生連續太赫茲波的方法引起業界的強烈興趣：透過「光混合」過程，光電二極體在高頻寬光電導體中透過光外差作用可以將光訊號有效地轉換為電訊號。期間，雷射/紅外雷射將在半導體或有機晶體中產生自由電荷載子。電荷載子受到內部或外部電場加速，由此產生的光電流將成為太赫茲波的來源。

如圖13所示，在該方法中，兩個連續波(CW)單模雷射(通常在1.55μm「光纖電信波長」)的輸出(發射頻率分別為ν1和ν2，兩者緊密間隔)在一個超快III-V族化合物半導體光電探測器(砷化鎵銦(InGaAs)/InP)中「混合」，隨後在太赫茲範圍內以光差頻νTHz=ν1-ν2誘導光電流調變。圍繞光混合器的天線結構將振盪光電流轉換為太赫茲波。最先進的光混合器基於GaAs或InGaAs/InP，並要求雷射波長低於半導體能隙(即分別為0.8μm或1.5μm左右)。

光混合技術的優點是：透過調諧雷射，不同頻率的差頻可以在寬頻譜範圍內變化，直接轉化為可廣泛調諧的太赫茲輻射。

圖13的光混合過程中，兩個略微失諧單模雷射在差頻νTHz=ν1-ν2下產生太赫茲輻射波。透過光頻梳(Optical Frequency Comb)得到的兩個頻率可導出極值頻率和相位穩定度。對於資料傳輸，其中一個雷射由馬赫-曾德爾調變器(MZM)進行調變：它由一個干涉儀組成，可將光束分成兩部分。透過電光調變器(EOM)，其中一個干涉儀臂中的雷射相位相對於另一通路發生偏移，導致兩束雷射複合後產生建設性或破壞性調變雷射光束。差頻訊號碰撞光混合器單行載波光電二極體(UTC-PD)，整合天線即可發射太赫茲輻射。

常用光電二極體有兩種：PIN光電二極體(PIN-PD)和單行載波光電二極體(UTC-PD)。兩種光電二極體最初作為光纖通訊網路檢波器開發，但後來受到修改以便於適應太赫茲發射要求。UTC-PD最初由日本NTT公司開發，用於40Gbps多級光接收。之後這類光電二極體性能增強，可產生高達4.5THz的訊號。

在300GHz等適合通訊應用的頻段，功率水準已達mW等級。

雷射光束可調諧特性與光混合技術的結合，可轉變成為光通訊開發的光向量場生成技術(例如，使用調變頻寬大於100Gbps的馬赫-曾德爾調變器)，進而使技術跨入太赫茲範圍。此外，如果增加額外頻率，這些技術可使多頻通訊相對容易實現(圖13)。這一技術組合還可將相關無線連結輕鬆整合到光纖基礎設施中。此外，太赫茲波導也可應用於on-chip通訊和未來高速設備間通訊。近期此類波導藉由具備有近零彎曲損耗表現和零反向散射的拓撲谷光子晶體來實現。如圖13所示，同一頻率梳狀波產生器中引用這兩個頻率，可將光梳獨特相位和頻率穩定度以寬頻和可調諧方式轉移至太赫茲範圍。與圖13所示發射器相對應的接收器側，可以是肖特基二極體或與發射器側對稱的裝置。該技術可以透過光電技術，將頻譜分析和向量網路分析儀的頻率範圍擴大到太赫茲範圍，因此同樣為測試和測量儀器帶來希望。

．通訊太赫茲波：300GHz點對點傳輸

圖14所示示例為在實驗室和戶外進行太赫茲資料傳輸試驗(單輸入單輸出(SISO)，即僅包含一個發射天線和一個接收天線)。200GHz至300GHz範圍內，有一個低大氣損耗傳輸窗口。與自由空間光連結相比，毫米波或太赫茲傳輸受雨、霧等惡劣天氣條件的影響要小得多。圖14(左)所示示例為實驗室中100Gbps情況，而圖14(右)所示為距敦克爾克港850m的300GHz傳輸連結(有一高度聚焦波束)。要在距敦克爾克港850m處建立一條300GHz即時高清影像傳輸連結，準確的定位排列至關重要。

圖14左圖所示為法國電子、微電子和奈米技術研究所(IEMN)製造的UTC-PD InGaAs/InP晶片，其響應曲線反映了光電二極體輸出與光電流的關係(來源：法國國家科研中心(CNRS)混合研究單位(UMR)IEMN 8520/法國里爾大學-Renatech Network)。該光電二極體採用具有次波長孔徑的半透明頂部接觸，用於增強光電二極體(1.55μm波長)的光傳輸和正面照明。透過晶圓接合，在二極體檯面下方使用金屬鏡，可進一步提升裝置響應性。

在200GHz至300GHz範圍內的太赫茲窗口，已經進一步展示了100Gbps傳輸。

時域產生太赫茲：基於飛秒雷射的光譜學和成像

另一種替代方法可覆蓋極廣頻率範圍(即0.1THz至6THz)，涉及用於光譜學(TDS)和成像的時域(TD)系統。此類裝置中，可透過飛秒雷射產生脈衝太赫茲輻射。用分束器將雷射脈衝分成兩部分：一部分傳輸到太赫茲發射器，另一部分傳到檢波器。超短雷射脈衝在發射器(光電導天線)中產生瞬態電流，產生一個在太赫茲範圍內具有寬頻譜的電磁波包。

太赫茲脈衝與光譜樣本相互作用並到達以「激發-偵測」方式工作的接收器：入射太赫茲脈衝會改變材料某些特徵屬性(如電導率或雙折射率)，分離雷射脈衝將探測到這一效應。可變延遲階段用更短的偵測脈衝來掃描太赫茲波包。接著，太赫茲振幅的傅立葉轉換將再現光譜。

時域光譜法具有極廣光譜範圍和高測量速度優勢。商用系統所產生的光譜高達6THz。太赫茲時域系統可用於各種工業應用，如品質保證中的無損檢測，特別是聚合物和陶瓷等合成材料。從太赫茲測量結果中，可以推導出複雜的折射率(電容率)和幾何結構。一個應用實例是透過測量往返時間測量厚度。例如，在紙張生產中，將廣泛頻譜轉化為微米級厚度分辨率。

圖15所示為由時域光譜儀(TOPTICA Photonics AG的TeraFlash pro)記錄的預付卡太赫茲圖像。樣品探測頻率為100GHz至6THz。

(本文作者皆任職於Rohde & Schwarz)