太赫兹科学与技术进展：从器件到系统与应用——技术委员会21报告

《IEEE Microwave Magazine》：Technical Committee 21 Report: Scientific Activities, Topics, and Conferences Organized by Members/Affiliates [MTT Society News]

　　

专业术语翻译的论文摘要 过去两年间，太赫兹（terahertz, THz）科学与技术持续进步，推动该领域更接近实际应用并催生了新概念。在此背景下，技术委员会21（TC-21）汇聚了从事广泛课题的研究人员，涵盖从器件（源、接收机、单片微波集成电路（monolithic microwave integrated circuits, MMICs）及系统）到应用（光谱学、雷达及通信），以及密切相关的领域，如法规、频谱管理、计量学和信道研究（包括波束管理）。在这些课题中，如同许多其他领域一样，人工智能（artificial intelligence, AI）已开始发挥重要作用，尤其是在亚THz/THz MMIC设计中，帮助识别最优设计权衡，同时应对毫米波（millimeter-wave, mm-wave）和THz特有的挑战。本报告简要总结了这些领域近期的一些成果。

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研究背景与意义

太赫兹（THz）频段（通常指0.1–10 THz）因其巨大的未开发频谱资源，在高速无线通信、高分辨率雷达、安全成像、光谱学及空间探测等领域展现出广阔的应用前景。然而，THz技术的发展长期受制于高效固态源、低噪声放大器、低损耗传输介质以及高性能天线与波束控制系统的缺乏。此外，随着频率向THz攀升，传统电子学和光子学方法均面临严峻挑战：电子器件受限于功率和效率，而光子学方案则面临集成度与成本瓶颈。因此，如何突破器件物理极限、实现系统级集成、并解决高频段特有的传播与信道问题，成为当前THz研究的核心驱动力。本报告旨在总结技术委员会21（TC-21）成员在THz科学和技术领域的最新进展，涵盖从基础器件到系统应用的多个层面，以评估该领域的发展现状并指明未来方向。

研究内容与结论

研究人员围绕THz技术的多个关键环节展开了系统性研究，取得了以下重要结论：

1. 1.
   THz源与功率提升：通过采用碳化硅（SiC）等新型衬底替代传统的磷化铟（InP），改善了热管理，使THz光电二极管无需后放大即可产生数毫瓦级的功率，这在系统层面具有重要意义。基于InP异质结双极晶体管（heterojunction bipolar transistor, HBT）的振荡器也取得进展，实现了高达1 THz的频率输出，并可通过次谐波注入锁定扩展其应用场景。
2. 2.
   毫米波与THz单片微波集成电路（MMIC）：在D波段和H波段，基于硅、III-V族、III-N族及氮化镓（GaN）等工艺的MMIC研究活跃。例如，采用InP双HBT实现的超宽带放大器在35–170 GHz范围内3-dB带宽内峰值输出功率超过14 dBm，在145 GHz处功率附加效率高于16%。
3. 3.
   异质集成与封装技术：为了融合光学与电子学领域的优势，研究人员致力于互连、芯片协同设计、异质集成、中介层及封装技术。例如，成功实现了D波段波束赋形收发模块的晶圆级封装，并将InP谐振隧穿二极管（resonant tunneling diode, RTD）发射器与双极互补金属氧化物半导体（BiCMOS）合成器和移相电路进行异质集成，利用注入锁定机制实现了波束扫描与波束赋形功能。
4. 4.
   THz信道与波束管理：针对THz频段的高自由空间路径损耗，研究人员利用反射表面工程和波束赋形技术进行补偿。下一步重点是研究有源可重构器件（如液晶、相变材料（phase-change materials, PCMs）、变容管阵列及光泵浦器件），以降低复杂度和功耗。此外，THz近场通信被认为是实现移动连接的关键研究方向之一。
5. 5.
   衍射神经网络与智能系统：衍射神经网络和结构化衍射表面扩展了THz系统的能力，实现了单向聚焦、可编程折射变换、紧凑型衍射波导、全光复场成像、亚波长成像、信息隐藏相机及全光图像去噪等功能，为智能THz系统奠定了基础。
6. 6.
   THz雷达与定位：亚THz/THz雷达系统受益于芯片组和高频开关的进步。例如，采用RTD技术的自注入锁定雷达工作在0.55 THz，兼具发射和接收功能，实现了高信噪比和数米的远距离探测，并已被用于蜜蜂监测等农业应用。
7. 7.
   频谱管理与标准化：100 GHz以上频段的共存与频谱共享是活跃的研究课题。2027年国际电信联盟世界无线电通信大会的议程项目AI 1.8将讨论275–700 GHz频段用于无线电定位服务的可能性。
8. 8.
   THz光谱学与空间探测：一种工作于0.5–0.6 THz的超紧凑室温THz光谱仪被设计用于立方星/小卫星平台，集成了硅透镜天线、互补金属氧化物半导体（CMOS）片上系统电子学、微机电系统（MEMS）开关和可编程温度校准负载，弥合了基础器件创新与可部署地球观测系统之间的差距。
9. 9.
   测试与计量：新的测试方法、实验室间比对及标准化前的计量活动是6G系统工业化的关键因素。TC-21成员正积极通过特刊等方式为此做出贡献。
10. 10.
    人工智能（AI）驱动的设计：AI方法已被整合到毫米波电路的传统设计流程中，从规格定义到版图生成均展现出良好性能，帮助设计师探索非常规射频结构，有望引发该领域的重大变革。
11. 11.
    光子学THz源与时域光谱：光子学驱动的THz源仍是时域光谱仪器发展的关键。研究人员利用等离子体光电导THz焦平面阵列，克服了传统单像素光栅扫描的速度限制，在164微秒内实现了超过60 dB动态范围和3 THz带宽的全像素成像，速度比现有最先进的多像素系统快1000倍。
12. 12.
    单片集成THz光电子系统：通过在量子阱（quantum well, QW）p-i-n光电二极管中实现增益增强的带间光混频，研究人员在同一芯片上实现了THz源、探测器、激光器、放大器、调制器及无源光学元件的单片集成，提高了THz产生效率和探测灵敏度。
13. 13.
    医学应用：THz技术在医学领域的应用日益受到关注，例如利用多波束感测生理运动以及生命体征监测，体现了技术对生命科学的支撑作用。

关键技术方法概述

研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于新型衬底（如SiC）的热管理优化技术以提升THz源功率；基于InP HBT和RTD的高效THz振荡器与自注入锁定雷达架构；用于D/H波段MMIC的多种半导体工艺（硅、III-V族、GaN）；实现光电融合的异质集成与晶圆级封装技术；用于波束赋形的可重构反射表面与液晶/PCM等材料；实现智能波前调控的衍射神经网络与拓扑光子学波导；用于超高速成像的等离子体光电导THz焦平面阵列；以及用于单片集成的增益增强量子阱p-i-n光电二极管光混频技术。

研究结果

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  THz源与功率提升：通过采用碳化硅衬底，研究人员突破了InP的热限制，使THz光电二极管能够产生数毫瓦级功率。基于InP HBT的推-推振荡器和多次推挽架构实现了接近1 THz的频率输出。
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  毫米波与THz MMIC：在D/H波段，研究人员展示了超宽带性能，例如基于InP双HBT的放大器在35–170 GHz范围内峰值输出功率超过14 dBm，在145 GHz处功率附加效率高于16%。
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  异质集成与封装：研究人员成功实现了D波段波束赋形收发模块的晶圆级封装，并通过InP RTD与BiCMOS的异质集成实现了波束扫描功能。
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  THz信道与波束管理：研究人员利用反射表面和波束赋形技术对抗高路径损耗，并指出有源可重构器件是未来系统集成的关键。
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  衍射神经网络与智能系统：研究人员证明了衍射表面可实现多种先进功能，包括全光复场成像、亚波长成像和信息隐藏，为智能THz系统铺平了道路。
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  THz雷达与定位：研究人员展示了基于RTD的自注入锁定雷达在0.55 THz工作，实现了数米远的探测距离，并应用于蜜蜂监测。
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  频谱管理与标准化：研究人员讨论了100 GHz以上频段的共存与共享，并指出2027年世界无线电通信大会将讨论275–700 GHz频段用于无线电定位服务。
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  THz光谱学与空间探测：研究人员开发了一种用于立方星平台的超紧凑室温THz光谱仪，集成了多种先进组件。
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  测试与计量：研究人员强调了新的测试方法和计量活动对于6G系统工业化的重要性。
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  AI驱动的设计：研究人员发现AI方法已融入毫米波电路设计流程，有助于探索非常规结构。
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  光子学THz源与时域光谱：研究人员利用等离子体光电导THz焦平面阵列，将成像速度提升了1000倍，并在164微秒内实现了高动态范围和大带宽成像。
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  单片集成THz光电子系统：研究人员通过增益增强的量子阱p-i-n光电二极管光混频，首次实现了THz源、探测器及其他光学组件的单片集成。
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  医学应用：研究人员展示了THz技术在感测生理运动和生命体征方面的潜力。

总结与结论

本报告全面回顾了TC-21成员在THz科学与技术领域的最新进展。研究表明，THz技术正处于从基础研究向实际应用快速转化的关键时期。在器件层面，通过新材料（如SiC）、新架构（如多次推挽振荡器、RTD自注入锁定）和新工艺（如InP HBT、GaN MMIC），THz源的功率、效率和频率覆盖范围得到了显著提升。在系统层面，异质集成、晶圆级封装以及波束赋形与信道管理技术的进步，使得更复杂、更实用的THz通信与雷达系统成为可能。特别值得关注的是，人工智能（AI）正在深刻改变毫米波/THz电路的设计范式，而衍射神经网络和光子学集成则为THz系统的智能化和小型化开辟了新途径。此外，THz技术在空间探测、医学成像、农业监测等跨学科领域的应用也在不断拓展。尽管面临高路径损耗、器件性能瓶颈及标准化等挑战，但TC-21成员的研究成果清晰地表明，THz技术正稳步迈向大规模部署，并将成为未来6G通信及诸多新兴应用的核心使能技术。