颠覆还是融合：太赫兹电子学vs.光子学

太赫兹位于红外和微波之间，处于宏观电子学向微观光子学的过渡阶段。这段话大家都已耳熟能详了。其实这是科学家们客气的说法，楚河汉界之间自古是红蓝两军对垒之地自然少不了命令与征服的故事。太赫兹即是桥梁也是前沿阵地，过去由于技术发展水平受限两军炮火还飞不出边境所以更惶论攻城拔寨。今天的太赫兹技术经过十多年的发展，电子学和光子学两军早已剑拔弩张、蓄势待发（希望可以攻出个诺奖来）。

2016年10月初欧洲太赫兹电子学领域科研大牌CHALMERS大学采用美国VDI公司和KEYSIGHT公司的解决方案搭建了全世界首套1.5THz矢量网络分析仪（动态范围40-80dB，输出功率典型值<1uW如图1）。

图1、1.5THz矢量网络分析仪动态范围（图片来自http://www.vadiodes.com）

这个消息即代表了太赫兹电子学从防守转向进攻迈出的一小步，但更是欧洲太赫兹电子学的无奈。

话虽如此，欧洲电子学其实并不丢人，毕竟几家大牌的实验室（卢瑟福、IAF等等）还有点存货（俄罗斯的真空电子学也是独步天下），而且剩下的两个伙伴日本和中国在太赫兹电子学领域大哥不说二哥，大家都眼睁睁看着美国一骑快马绝尘而去。为首的JPL早在2004年发射的AURA卫星就搭载了JPL 118, 190, 240, and 640 GHz and2.5 THz辐射计送见下图2，后面跟着MIT、Northrop、Grumman, VDI,HRL等大小公司也好不得意。

图2、2004年7月发射的AURA卫星搭载的毫米波及太赫兹辐射计（图片来自JPL）

知耻而后勇，眼看美国的快马渐行渐远。凭借通信领域深厚的技术功底日本NTT公司很快拿出了从器件到系统的解决方案。

图3、NTT 120GHz点对点通讯系统以及发射端结构（图片来自http://www.ntt.co.jp）

这套方案让日本成了商业化太赫兹通信系统的鼻祖，可是这套通信系统收发前端以InP HEMT（最高工作频率350GHz）为基础，NTT发现频率再往高举步维艰、力有不逮。所以很快在光子学中另辟蹊径推出了UTC-PD技术，并为其设计了一系列应用场景（如下图4），未来的大容量太赫兹通信系统和太赫兹超宽带测试系统就指着它了。今年松下公司和广岛大学已宣布正在研发工作在300GHz通讯速率达100Gbps的点对点通讯系统并将在东京奥运会实现商用。

图4、UTC-PD技术的应用场景以及芯片结构（图片来自http://www.ntt.co.jp）

UTC-PD技术吹响了太赫兹光子学进攻的冲锋号，欧洲这边法国IEMN和德国HHI也紧追不舍。2014年前后欧洲HHI研究所也推出基于LT-GaAs材料的太赫兹光混频器，德国Toptica，Sarcher、美国光通信器件公司EMCORE纷纷顺势推出太赫兹频域光谱系统FDS。该系统频率覆盖0.1-2THz，频率分辨率可以到MHz，动态范围典型值80dB，低于10万美金的成本。从指标上看俨然是矢量网络分析仪（电子学测试测量金字塔顶端）的终结者。NTT公司更计划推出从毫米波到太赫兹全频段覆盖的发射源以及宽带接收机，最终目标当然剑指太赫兹超宽带通信系统。早期发射源性能指标大致如下：

图5、NTT 0.1-4THz宽带太赫兹源（图片来自http://www.ntt.co.jp）

欧洲和日本似乎用光子学技术给困惑已久的太赫兹点燃了一盏明灯，挡在他们前面的唯一困难是输出功率。如果功率能够提升一两个数量级，横跨光子学电子学的大杀器就横空出世了，实用化的太赫兹通信，测试、成像系统都指日可待。

可是直到今天功率仍然是太赫兹光子学前进道路上一道无法逾越的鸿沟，UTC-PD输出功率至少落后固态电子学1到2个数量级（目前最高水平300GHz/1mW），无论是太赫兹通信还是测试系统这点功率实在是太寒碜了，NTT和HHI也一时没有新的材料和工艺拿的出手，只好偃旗息鼓苦练内功去了（SiGe photodiodes是下一个研究热点）。跟着的一众公司眼看短期内无利可图只能卖的卖，停的停。

光子学的进展并不局限于此，太赫兹时域光谱系统TDS经过近10年发展也多少有点气候了，去年德国MENLO为首的几家专长于飞秒激光器公司（相比之下早期的TDS厂商只是把零件攒在一起，在外围修修补补而已）推出异步光学采样TDS系统让大家以前一亮，频率分辨率<1GHz,采样速度每秒1000个波形。他们从飞秒激光器入手只用几招就化解了传统TDS面临的危机（速度慢，分辨率低，体积庞大等等）。而在此之前科学家们还将太赫兹时域光谱系统TDS用于芯片片上测试（共面波导缺陷检测）、雷达反射截面紧缩场测试(CATR，见下图4)等电子学测试测量的传统阵地。随着异步系统以及TDS功率合成技术的成熟，在太赫兹成像和测试领域太赫兹时域光谱系统TDS迟早会吹响光子学进攻的号角。

图6、Terahertz radar cross section measurement Krzysztof Iwaszczuk,*,1 Henning Heiselberg2 and Peter Uhd Jepsen11DTU Fotonik – Department of Photonics Engineering, Technical University of Denmark, DK – 2800 Kongens Lyngby, Denmark

其实放眼望去，近年来激光雷达、激光通信、光钟以及光频梳等等无不一点一点在挤压着传统电子学的地盘。电子学会地盘拱手相让吗？让我们拭目以待吧。

作者：美克锐科技 张宇