《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》：Suspended Stripline on Silicon-Membrane for Integrated Terahertz Couplers
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为解决传统矩形波导太赫兹耦合器难以小型化、集成与宽带化的问题，研究人员开展了一项关于“硅膜上悬浮带状线(SSL)太赫兹平面分支线混合耦合器”的研究。他们通过电磁仿真优化与微细加工，成功制作出工作于925 GHz的耦合器，实测在750-1100 GHz带宽内隔离度优于15 dB、幅度平衡优于1.1 dB，为太赫兹平衡电路（如边带分离混频器）的片上集成提供了关键技术。
在浩瀚的电磁波频谱中，太赫兹（Terahertz, THz）波段就像一个充满宝藏却难以进入的神秘地带，它位于微波与红外光之间，频率范围大致是0.1到10 THz。这个频段在高速通信、高分辨率成像、无损检测以及天文观测等领域展现出巨大的潜力。然而，要将潜力转化为现实，我们首先需要能在该频段有效工作的“交通管制员”和“电力调度员”——也就是定向耦合器（directional coupler）和功率分配网络。它们是构成许多复杂太赫兹系统，尤其是平衡电路拓扑（如性能优异的边带分离混频器）的基石。
目前，太赫兹频率的耦合器主要依赖中空的矩形波导来实现。这种技术虽然成熟，但有个“硬伤”：它本质上是三维的立体结构，难以按比例缩小到更短的波长（即更高的频率），并且几乎无法与晶体管等有源器件（active devices）集成到同一块芯片上。这就好比试图把一台庞大的老式交换机塞进现代智能手机里——理念相通，但实现路径截然不同。这种集成障碍严重制约了太赫兹系统向更紧凑、更高效、功能更强大的单片化方向发展。那么，有没有一种方法，能够将耦合器“扁平化”，使其能够像印刷电路一样制备在平面上，从而与半导体工艺兼容，实现真正的集成呢？
发表在《IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology》上的一项研究，正是为了破解这一难题。研究人员将目光投向了平面传输线技术，具体而言，是“悬浮带状线”（Suspended Stripline, SSL）。他们的核心创新在于，将这种通常用于较低频段的技术，与超薄的硅膜（silicon-membrane）基底相结合，应用于近1 THz的极高频率。他们设计、制作并测试了一个中心频率为925 GHz的平面分支线混合耦合器（planar branch-line hybrid coupler）。这个耦合器并非简单的电路图转化，研究人员首先基于传输线理论进行了初始的3 dB耦合器设计，随后利用全波电磁仿真（full-wave electromagnetic simulations）对其性能进行了精细的优化调整，以应对太赫兹频段显著的寄生效应。制造过程则完全依托于微细加工（microfabrication）技术，在仅3微米（3-μm）厚的硅膜上构建出精密的金属线条图案。为了进行精确测量，制作好的芯片被封装在一个WM-250标准波导（waveguide）测试夹具中，并使用矢量网络分析仪（vector network analyzer, VNA）在750 GHz至1100 GHz的宽频范围内进行了散射参数（S-parameters）表征。
这项研究主要采用了几个关键技术方法：首先，基于电路理论并结合全波电磁仿真软件对硅膜悬浮带状线结构进行建模与优化设计；其次，运用半导体微细加工工艺在3微米厚的硅基薄膜上制备耦合器电路；最后，将制得的芯片装入WM-250波导测试夹具中，利用太赫兹矢量网络分析系统进行在片（on-wafer）散射参数测量与性能表征。
研究结果
设计与仿真优化
研究人员基于分支线耦合器的经典电路理论完成了初始设计。随后，他们利用三维电磁仿真工具对基于3-μm硅膜的悬浮带状线结构进行了全波分析。仿真表明，单纯的理论设计在太赫兹频段性能会偏离理想值，通过仿真对传输线宽度、间隙以及耦合区域进行优化，显著改善了耦合器的带宽和隔离度性能，为后续制备提供了可靠的设计蓝图。
制备与结构
耦合器采用标准的硅微加工技术制备。具体流程从双面抛光的硅片开始，通过各向异性湿法刻蚀在其背面形成一个空腔，使得器件区域的硅层厚度仅为3 μm，形成悬浮的薄膜。接着，在薄膜正面沉积并图形化金属（金）层，形成设计好的耦合器电路。这种悬浮结构有效降低了硅基底的损耗，并提供了近似均匀的介质环境，利于高性能传输线的实现。
实验表征
制备完成的耦合器芯片被集成到一个定制的WM-250（矩形波导接口，尺寸适用于该频段）测试夹具中进行测量。使用基于倍频源和谐波混频器的矢量网络分析仪系统，获得了从750 GHz到1100 GHz频率范围内的全套四端口S参数。测量结果表明，该耦合器在中心频率925 GHz附近性能优异。
性能分析
关键性能参数测量结果如下：在约18%的相对带宽（约800 GHz至960 GHz）范围内，耦合器的隔离度（Isolation）优于15 dB，两个输出端口之间的幅度平衡（Amplitude balance）优于1.1 dB。这意味着该耦合器能够有效地将输入信号按预定比例分配至两个输出端，同时将不必要的反向泄漏信号抑制到很低水平。测量的S参数与电磁仿真结果在整个频带内表现出良好的一致性，验证了设计、仿真与制备流程的准确性。
结论与讨论
本研究成功设计、制备并表征了一种工作于925 GHz的基于硅膜悬浮带状线的平面分支线混合耦合器。实测性能在宽达18%的带宽内实现了高隔离度（>15 dB）和良好的幅度平衡（<1.1 dB），且与电磁仿真预测吻合良好。其重要意义在于，它证实了悬浮带状线这一平面传输线技术在近1 THz频段实现高性能无源电路的可行性。与传统的三维波导方案相比，该技术具有天生的平面化、可微加工优势，能够与硅基半导体工艺线兼容。这为在同一个硅基芯片上，将诸如耦合器、滤波器等无源器件与场效应晶体管（FET）等有源器件进行单片集成铺平了道路。因此，这项工作为实现紧凑、低成本、高性能的太赫兹平衡电路系统（例如，用于射电天文探测的边带分离混频器）提供了关键的无源部件解决方案，是推动太赫兹集成电路发展的重要一步。
