中國的太赫茲技術研究有望領先全球

編者按：太赫茲波段自從19世紀後期正式命名之後，收到歐美日中等多個國家的高度關注，各國紛紛將其入選改變世界的技術評比之中。尤其是中國，在當中的研究甚至超越了美日，名列世界前茅。本文詳細介紹了太赫茲技術的前世今生。

第一次聽到「太赫茲」，可能會想「難不成是赫茲的爺爺」。其實「太赫茲」是單位Terahertz的英譯，是指100 GHz~10 THz的電磁輻射（也有定義300GHz ~ 10 THz），波長在0.03mm~3mm範圍， 如圖一所示，在電磁頻譜上，太赫茲波段兩側的紅外和微波技術已經相對成熟。

從19世紀後期太赫茲波段正式命名之後，涉及太赫茲波段的研究結果和數據卻非常稀少，在此頻段上，既不完全適合用光學理論來處理，也不完全適合微波的理論來研究，另外在很大程度上受限於有效的太赫茲源和探測器，因此這一波段一度被稱為Terahertz Gap「太赫茲鴻溝」。

圖1: 太赫茲電磁波頻譜介紹 [Physics Inventions]

2004年，美國政府將太赫茲技術評為 「改變未來世界的十大技術」 之一，DARPA（美國國防部高級研究計劃局）和NASA（美國國家航空與航天局）自2009年起均投入較大的資金和研發力量，進行太赫茲組件及系統的研發。2005年，日本政府更是將太赫茲技術列為 「國家支柱十大重點戰略技術」 之首。

我國政府分別在2005和2014年專門召開了 「香山科技會議」 ，制定了我國太赫茲技術的發展藍圖。2016年底， 「太赫茲谷」 如火如荼的在烏魯木齊與中國電子科技集團公司合作下開始建設。另外歐洲，澳大利亞，日韓，台灣等許多國家和地區政府、研究機構、大學和企業紛紛投入到太赫茲研發的熱潮中。

隨著新技術和新材料的突破，有效太赫茲輻射源和探測器的相繼問世, 太赫茲技術的研究和應用才有了較快發展, 在醫療診斷、天文、物體成像、工業探傷、寬頻移動通信，雷達探測等眾多領域顯示了重大的科學價值及實用前景。

近5年來低成本CMOS，新材料太赫茲技術的突破有望改變太赫茲技術僅在軍事，航天，高端醫療領域有較多應用的現狀，讓太赫茲技術進入民用消費級電子市場。

太赫茲應用

下面筆者就結合太赫茲波段的電磁信號特點，向大家介紹一下太赫茲技術的相關應用。

(1) 太赫茲輻射是完全非電離的，由於能量較X射線低很多，對絕大部分的生物細胞無電離傷害，適合對活體生物或組織進行實時檢查。如皮膚燒傷或皮膚癌的早期診斷，口腔疾病診斷，活體DNA鑒別等。

圖2：太赫茲成像在醫療領域的應用舉例

(2) 太赫茲頻譜覆蓋了這個有機大分子，包括蛋白質在內的轉動和諧振頻率。許多大分子在太赫茲頻段表現出很強的吸收和諧振，形成具有生物特異性的太赫茲特徵譜。另外，碳（C）, 水（H2O），一氧化氮（NO），氮（N2）, 氧（O2）等大量的分子也有各自的太赫茲特徵譜。這些特徵譜信息對於生物化學物質結構，以及大氣污染和天文探測有著很高的研究價值。

圖3：UCLA & NASA JPL CMOS太赫茲光譜儀實例

(3) 安全檢查應該說是太赫茲現階段最吸引人的應用，它的本質是利用太赫茲電磁信號的穿透性和對金屬等特殊材料的強反射特性進行實時快速透視成像，並且在達到成像目的的同時，不需要擔心X射線的電離傷害。太赫茲電磁信號能以較低的衰減穿透衣物，皮箱，陶瓷，硬紙板，塑料製品非極性材料等；而對於極性物質比如水或金屬有強烈的吸收和反射。

太赫茲的成像解析度雖然比不上X射線，但足夠探測隱藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品。另外結合太赫茲對物質鑒別的特性，能夠區分身上是否攜帶炸藥或毒品。攜帶型的太赫茲安檢儀已經處於後期研發測試階段，有希望在20cm外自動快速檢測危險物品，實時生成高清晰度三維圖像。可以設想再過幾年，將在在機場火車站安裝大量太赫茲安檢設備。

圖4：G20上使用的航天易聯太赫茲安檢儀

(4) 無損檢測同樣是利用太赫茲電磁信號對大部分乾燥、非金屬、非極性材料有較好的穿透能力，再結合各種成像技術，就可以對材料中的缺陷進行詳細檢測。太赫茲無損檢測廣泛應用於航天、雷達材料的檢測。介於太赫茲系統的小型化低成本話的趨勢，近年來越來越多的工業、民用產品流水線在配合太赫茲成像系統完成快速無損檢測。

圖5：美國TeraSense流水線太赫茲無損檢測設備實例

(5) 大容量、高保密的寬頻近距離通信是太赫茲頻段的又一大應用。雖然單就通信距離來看，由於太赫茲在空氣中傳播時很容易被水分所吸收，信號衰減嚴重，存在著傳輸距離的 「短板」 。但是，在某些情況下，有限的傳輸距離反而能成為優勢。因為大氣衰減能使信號根本無法傳播到遠處的無線電技術監聽設備，可實現隱蔽安全的近距離通信。而100 GHz ~ 1 THz的超寬頻寬，是太赫茲通信的可用帶寬超過長波、中波、短波、微波 (30 GHz) 總的帶寬的1000倍。由於THz波的頻率比微波更高，波長很短，可以製成方向性很強，尺寸又小的天線，將大大減小發射功率，並減輕收發機相互之間的干擾。

圖6：日本大阪大學研發的太赫茲50Gb/s 通信設備實例

在剛剛結束的集成電路的最高級別會議，國際電路會議ISSCC 2017，上來自日本廣島大學，國家信息通信技術研究院和松下通信研究院，共同展示了105 Gb/s 300GHz 的CMOS 發射機，如圖7所示。該太赫茲發射機的通信帶寬比在2020年商用部署的5G移動通信系統還快了10倍。

圖7： ISSCC 2017 上展示的超寬頻太赫茲發射機

太赫茲研究概況

圖 7： 2015年太赫茲相關SCI論文發文量Top10國家/地區 [太赫茲研髮網]

SCI 檢索顯示，2015年內已發表太赫茲文獻1456篇。相關1300餘名科研人員遍及62個國家和地區，論文量最高的為中國（447篇），其次為美國（308篇），圖7給出了論文量Top10的國家和地區。 圖8揭示出國內外在太赫茲領域論文成果突出的10個科研機構，俄羅斯科學院與中國科學院近幾年論文量一直不相上下，在2015年SCI論文量最高的為俄羅斯科學院（88篇），其次為中國科學院（82篇）。

中國電子科技大學近幾年在該領域呈現出蓬勃的發展趨勢，機構論文量排名相繼從2013年的第10位增長到2014年第7位，並在2015年躍至第4位。除中國科學院、電子科技大學外，國內機構中的天津大學、首都師範大學均進入論文量排名前10. 總涉及500餘個科研機構。

圖 8： 2015年太赫茲相關SCI論文發文量Top10機構 [太赫茲研髮網]

我國太赫茲技術現狀

不同於微波毫米波和紅外線領域，在太赫茲方面，我國與國外差距較小。伴隨著材料學、半導體技術的發展，國內逐漸擁有了研究太赫茲技術的基礎條件，科研人員也克服了重重困難，取得了非常可喜的成就。

單從論文發表的數量上，我國已經達到世界較為領先的地位，但是從科研到產業化的速度和能力，與歐美國家還存在較大差距。

至今除了航天、國防領域以外，太赫茲技術的大範圍應用並沒有如期而至，民用消費行業內大規模應用似乎仍然遙遙無期。唯有北京航天易聯科技發展有限公司的太赫茲安檢系統在G20上的出現讓人眼前一亮。遺憾的是，從測試的具體效果來看，還是和TeraView，Brijiot， ThruVision，TeraSense等歐美公司有較大的差距。

產業的投資可以說並不比歐美遜色，科研機構幾乎覆蓋了太赫茲領域的方方面面，從基礎材料，單個探測器，發射器組件，到系統級整合應用都有所涉及。同時國內的的科研單位和研發企業的迅猛發展，讓太赫茲測試測量領域的美國巨頭VDI（Virginia Diodes，Inc）也感到了壓力，不顧企業利潤，向國內停售了起絕大部分高性能設備及系統。

我國太赫茲技術前景展望

如何讓先進的科研成果儘快走出象牙塔，轉化為現實的生產力，將成為太赫茲科技工作亟待解決的問題。各方均迫切需要有一個權威的跨界平台，將產、學、研、資聚合起來，共同解決領域內所面臨的技術、產品、市場、標準、資本等問題。在此背景下，我們同樣可以預期，太赫茲產業聯盟將會適時應運而生。

成立太赫茲產業聯盟，將會為研究機構、上下游企業、資本等各方建立起一座溝通的橋樑，協調基礎研究、應用研究和產品研究之間的關係和快速轉換。基於此，我們有理由相信，我國太赫茲科技領域勢必產生出更多具有自主知識產權和自有核心技術的世界一流成果和產品。

作者 ： 杜源 UCLA 電子工程博士

相關引用：

【1】Drouin, B.J., A. Tang, E. Schlecht, E, Brageot, Q.J. Gu, Y. Ye, R. Shu, M.C.F Change and Y. Kim, 「A CMOS millimeter-wave transceiver embedded in a semi-confocal Fabry-Perot cavity for molecular spectroscopy」, J. Chem. Phys. 145(7) 074201, 2016.

【2】Bryan E. Cole ; Ruth M. Woodward ; David A. Crawley ; Vincent P. Wallace ; Donald D. Arnone ; Michael Pepper; Terahertz imaging and spectroscopy of human skin in vivo. Proc. SPIE 4276, Commercial and Biomedical Applications of Ultrashort Pulse Lasers; Laser Plasma Generation and Diagnostics, 1 (May 29, 2001); doi:10.1117/12.428010.

【3】Junginger, F.; Sell, A.; Schubert, O.; Mayer, B.; Brida, D.; Marangoni, M.; Cerullo, G.; Leitenstorfer, A. et al. (2010). "Single-cycle multiterahertz transients with peak fields above 10 MV/cm". Optics Letters 35 (15): 2645. doi:10.1364/OL.35.002645

【4】Tadao Nagatsuma, Guillaume Ducournau & Cyril C. Renaud，「Advances in terahertz communications accelerated by photonics」，Nature Photonics 10, 371–379 (2016) doi:10.1038/nphoton.2016.65 Received 13 January 2016 Accepted 07 March 2016 Published online 31 May 2016

【5】http://www.teraview.com/

【6】https://www.youtube.com/watch?v=iHOt7Quyduk

【7】http://www.thznetwork.org.cn/shownews.asp?id=816

推薦閱讀（點擊文章標題，直接閱讀）

中國的存儲晶元要崛起，先解決這些問題

MTK收購絡達釀新格局，國內PA廠商或面臨生存危機

帝國的黃昏：是時候說再見了，蘋果

http://weixin.qq.com/r/ckMQCMnEiJT3rY1r9xZg (二維碼自動識別)

【關於轉載】：轉載僅限全文轉載並完整保留文章標題及內容，不得刪改、添加內容繞開原創保護，且文章開頭必須註明：轉自「半導體行業觀察icbank」微信公眾號。謝謝合作！

http://weixin.qq.com/r/4DnawhbEYEsfrVKh92zy (二維碼自動識別)

【關於投稿】：歡迎半導體精英投稿，一經錄用將署名刊登，紅包重謝！來稿郵件請在標題標明「投稿」，並在稿件中註明姓名、電話、單位和職務。歡迎添加我的個人微信號MooreRen001或發郵件到 jyzhang@moore.ren

http://weixin.qq.com/q/02x94VUL8jb0-10000w03o (二維碼自動識別)

推薦閱讀：