面向6G無線通信應用的太赫茲收發器

張真真，王 長,2，譚智勇,2，曹俊誠,2*

(1.中國科學院上海微系統與信息技術研究所 太赫茲固態技術實驗室，上海200050；2.中國科學院大學 材料與光電研究中心，北京 100049)

0 引言

太赫茲(Terahertz,THz)波是頻率在0.1～10 THz的電磁波，在電磁波譜中位于紅外和微波之間。近年來，THz技術因其在快速成像、無損探測、太空遙感、材料表征和高速無線通信等領域巨大的應用潛力而取得了顯著進展[1-6]。在無線通信領域，虛擬現實(VR)、自動駕駛、遠程醫療、物聯網、腦機接口等越來越多新興技術的發展將需要比5G網絡更高帶寬和更快的數據傳輸速率[7]。當最小帶寬達到幾十GHz時，必須在THz范圍內使用更高的載波頻率。THz無線局域網和蜂窩網絡可以為這些新興的技術提供每秒數T比特(Tbit/s)的超高數據傳輸速率和高速無線數據分發[8]，成為6G的關鍵候選波段[9]，文獻[10]描述了6G無線通信技術的未來愿景[10]。現在，世界上許多研究小組已經開發出頻率超過100 GHz的通信鏈路。特別是，在275 GHz以上，有可能為無線電通信應用提供超過50 GHz的超大帶寬[11]。

THz無線通信技術的發展勢必會推進新技術的革新，包括收發器、通信設備、鏈路、軟件、信號處理和系統的突破性進步。例如為了解決障礙物對信號的阻擋問題，科學家提出了一種全新的基于可重構智能表面(Reconfigurable Intelligent Surfaces,RIS)的無線通信技術[12-14]，通過巧妙地調整反射元件的相移來控制光束的傳播方向，提高覆蓋性能。此外，緊湊、輕便、易于操作的THz波收發器是高頻無線通信系統的關鍵核心技術。基于光子學原理的收發器在信號生成、調制和檢測方面具有很強的實用性，既可以實現超寬帶和超高速傳輸，又易于與現有的光纖或無線網絡相結合[15]。實際上，在THz技術研究之初，科學家們已經開始使用THz光子學器件進行THz波無線通信的探索[16-18]。

在THz頻段內，基于III-V族化合物半導體材料的單行載流子光電二極管(Uni-traveling-carrier Photodiode，UTC-PD)備受青睞，在約300 GHz的頻率范圍內可以達到毫瓦級輸出功率[11]，是毫米波/THz波無線鏈路中發射器和接收機的理想器件。肖特基二極管(Schottky Barrier Diode,SBD)混頻器是THz外差混頻技術的一種基本元器件[19]，通常與具有寬帶天線集成的UTC-PD結合使用，形成THz無線互連系統。隨著先進半導體工藝的不斷發展，SBD可以與許多無源器件(例如濾波器和波導等)集成，在應用于高頻探測時能發揮更優異的性能[20]。THz量子級聯激光器(Quantum Cascade Laser，QCL)具有調諧范圍大、能量轉換效率高等優點，是1～5 THz無線通信波段非常重要的THz源。自2002年首個THz QCL誕生以來[21]，為了提高工作溫度和輸出功率，科學家們進行了大量的研究工作，使得器件的工作溫度和輸出功率有了大幅度提升[22-24]。THz量子阱探測器(Quantum Well Photodetector，QWP)具有響應速率快、光譜分辨能力強的優點，非常適合高頻和高速通信的探測應用。本文逐一介紹了面向6G無線通信系統應用的4種THz收發器件的基本原理，以及基于這些器件實現的THz無線通信系統。

1 單行載流子光電二極管(UTC-PD)

超快光電二極管是電學和光學轉換技術的關鍵器件，在準光學THz無線通信系統中起到光電轉換的作用。UTC-PD是一種很有前途的緊湊、易集成、高功率和超寬帶的THz波收發器，工作頻率一般在0.3 THz以上。與傳統的光電二極管相比，超快的載流子渡越時間和超高的飽和電流決定了UTC-PD擁有超快的光電轉換速度和更高的功率，這些顯著優勢使UTC-PD既可以用于THz光通信中的高速探測器，也可以用于大功率的THz波發生器。

1997年，Ishibashi等人基于InP/InGaAs材料體系發明了第一個UTC-PD器件，驗證了器件的快速響應特性[25]。UTC-PD的能帶結構示意圖[26]如圖1所示，器件包含了一個p型窄禁帶光吸收層和一個寬禁帶的載流子收集層。吸收層中的光生電子漂移或擴散到耗盡的載流子收集層中，同時，光生空穴通過它們的集體運動在介電弛豫時間內快速移動到擴散阻擋層。電子在器件工作中起主要作用，因此，UTC-PD的光響應速度主要由整個結構中的電子傳輸速率決定，電子的有效質量比空穴小得多，從而使器件具有更短的載流子輸運時間和更快的光響應。光吸收層和光收集層可單獨設計，通過減小吸收層的厚度，可以縮短載流子(電子)的輸運時間，從而使器件適用于高頻應用。

圖1 UTC-PD的能帶結構示意圖Fig.1 Band diagrams of UTC-PDs

2005年Ito等人采用UTC-PD與寬帶對數周期天線集成的方法，制作出準光學輸出端口的光混頻模塊，該模塊的工作頻率高達1.5 THz，并在1.04 THz下產生了2.3 μW的輸出功率[27]。經過不斷地優化，該課題組于2014年報道了利用蝴蝶天線和UTC-PD集成的光混頻模塊，產生了頻率高達2.5 THz的THz波。該混頻模塊在300 GHz頻率下，輸出功率達到10 μW。UTC-PD光混頻模塊的實物圖[28]如圖2所示。

圖2 直徑5 mm硅透鏡和光纖的天線集成的UTC-PD 光電混頻器模塊Fig.2 Antenna-integrated photomixer module with Si-lens (5 mm diameter) and fiber-pigtail

基于UTC-PD的準光學光混頻模塊具有很多優點：① 可以根據帶寬等實際需求，選擇需要集成的天線類型，如圖3所示，分別為喇叭天線、對數周期天線以及偶極子天線集成的UTC-PD的顯微照片[16]；② 不需要為了高頻應用，而增加波導制作工藝的復雜度等。最重要的是該模塊可以在室溫和連續波條件下運行，無需任何冷卻。基于UTC-PD的連續THz波信號發生器，可以在350 GHz時產生0.5 mW的輸出功率，在1 THz時產生10 μW的輸出功率，在很窄的譜線寬度和很寬的頻率范圍內調諧輸出信號[16]。

(a) 喇叭天線集成的J 波段模塊

(b) 對數周期天線集成的UTC-PD 光混頻模塊

(c) 偶極子天線集成的UTC-PD模塊圖3 UTC-PD器件與不同天線的集成模塊Fig.3 Integration modules of UTC-PDs and different antennas

2012年，Song等人報道了基于UTC-PD發射器和SBD接收機的無線通信鏈路，該鏈路在300 GHz頻率下的傳輸速率是24 Gbit/s。該鏈路的THz發射器和接收機均在UTC-PD的同一外延層上制造，傳輸距離在50 cm左右時，誤碼率小于1×10-10[29]。2014年，Ducournau等人成功搭建了基于相干THz光頻梳的無線通信鏈路，該系統使用高靈敏度的UTC-PD作為THz波發射器和電學接收機，在200 GHz頻率下，數據傳輸速率高達11 Gbit/s[30]。

2021年Li等人提出了一種基于Mach Zendell調制器(MZM)的光頻梳和用于信號調制的同相正交調制器(QAM)產生THz波信號的新方法，并通過仿真演示了16路QAM矢量THz波信號的產生和傳輸。UTC-PD作為該系統的THz發射器，外差拍頻后產生390 GHz的THz波射頻信號[31]。

在實際應用中，需要考慮器件的功率和散熱性能。例如：采用UTC-PD與微帶天線陣列集成的方法，可以克服單個器件功率較低的限制[32]，采用陣列天線集成可將模塊的總輸出功率提高到mW量級等。為了有效地傳遞光電二極管的熱量，可以使用硅襯底晶圓鍵合和金屬-金屬熱沉鍵合的方法。通過不斷地優化，準光學THz無線通信系統中的關鍵器件——UTC-PD，已經成為較低頻段THz波無線通信最有前景的發射和接收器件。

2 肖特基二極管(SBD)

SBD是毫米波/THz波段外差混頻技術的一種基本元器件。當金屬和半導體緊密接觸時，在半導體表面就會形成肖特基勢壘。由于金屬和半導體的不同功函數，接觸結產生靜電屏障，這是SBD具有整流特性的原因。當THz電場在肖特基勢壘中產生的電壓足夠大時，半導體中的電子就會穿過勢壘到達金屬，從而產生響應電流，這就是SBD工作的基本原理[20]。SBD的等效電路如圖4[33]所示，其中Rs為串聯電阻，Cj為結電容，Rj為結電阻。決定SBD探測和混頻性能的主要因素是它的截止頻率。SBD的截止頻率與其串聯電阻Rs和結電容Cj成反比。對于高頻應用的SBD來說，結電容一般在pF量級，這就需要半導體材料擁有較高的載流子遷移率和飽和速度。對于在毫米波/THz波段工作的SBD，可以選擇GaAs和InP材料體系來制作[33]。在THz準光學無線通信系統當中，SBD通常用來與UTC-PD發射器相結合，對THz波進行直接探測和外差探測。

圖4 SBD等效電路Fig.4 A principal equivalent circuit model of SBD

2010年，Ito等人開發了一種集成UTC-PD、SBD和平面環行器電路的緊湊型亞THz收發模塊。所有部件都組裝在一個緊湊的矩形波導輸出包中，以便在J波段(頻率范圍10～20 GHz)工作。這是在300 GHz左右工作的連續波光子毫米波收發器模塊的首次演示[34]。2015年，該課題組研制了基于InGaAsP材料的SBD THz波接收機模塊[35]。該模塊可以檢測200～500 GHz頻率的信號，其在350 GHz的峰值探測靈敏度為1460 V/W。這是準光學系統中，InP基零偏置SBDs的一個記錄值。該課題組還通過集成SBD和蝶形天線，開發了偏振敏感的亞THz波探測器，所制備的準光學模塊能夠在零偏壓下檢測30 GHz～1 THz頻率范圍內的信號。Li等人報道了一種用于毫米波/亞THz頻率的緊湊型準光學零偏置SBD(QO-SBD)包絡探測器，在該系統中，SBD探測器安裝在超半球硅透鏡上方的蝶形天線上，實現了10 GHz的3 dB視頻帶寬，這是寬帶準光學型探測器實現的最高值[33]。

中國工程物理研究院電子工程研究所太赫茲研究中心成功研制了一種SBD技術的340 GHz T/R前端[36]。該前端實現了16 QAM高階調制的340 GHz通信，數據傳輸速率為3 Gbit/s。近期Kim等人成功實現了基于光子學的直接調制分布反饋激光二極管(DFB-LD)的THz無線傳輸系統，其工作原理如圖5所示[37]。該系統采用喇叭天線集成的UTC-PD將THz波發射到自由空間，采用帶有喇叭天線集成的SBD直接探測自由空間的THz波，成功地實現了THz波無線傳輸，最大傳輸距離為2.2 m，數據傳輸速率達到25 Gbit/s。

圖5 基于直接調制分布反饋激光二極管(DFB-LD)的光子學THz無線傳輸系統Fig.5 Experimental setup for investigation of transmission performances of photonics-based THz wireless delivery system

3 太赫茲量子級聯激光器(THz QCL)

THz QCL具有體積小、易集成、工藝成熟、性能穩定等優點，是THz波段非常重要的一種大功率半導體固態激光源。這種窄帶的THz源對于高分辨率光譜應用，無線通信和極高帶寬的衛星間通信鏈路特別有吸引力[38]。THz QCL的能帶結構如圖6所示[21]，QCL的有源區通常是幾十甚至上百個周期的量子阱和勢壘交替生長而成，通常基于GaAs/AlGaAs材料體系制作。這樣的級聯結構，在每一個周期都可以釋放光子，從而提高了器件的輸出功率。器件輻射的中心頻率由子帶間能量差決定。在THz QCL中，光子能量比LO(縱光學聲子)的能量低，工作溫度較高時，熱激發的聲子散射會使較高能級電子的壽命降低，影響THz QCL的增益[39]，因此THz QCL工作時需要連續的低溫制冷。

在實用光子通信系統當中，科學家希望THz QCL可以在連續波和高溫條件下工作。近十年中，THz QCL在工作溫度、輸出功率、光束改善和器件穩定性等方面發展迅速[40-42]。表1為直到2019年THz QCL器件的研究進展[43]。

圖6 THz QCL有源區的能帶結構圖Fig.6 Conduction band structure of the laser active core

表1 THz QCL器件主要參數的研究進展

作為THz波段光子學無線通信系統的發射器，THz QCL可以產生1 THz以上的高頻信號。低于2 THz工作頻率的THz QCL通常需要加強磁場[44]。通過外調制器，QCL可實現調制頻率在10 GHz以上的直接調制[45]。2010年，中科院上海微系統所的曹俊誠團隊成功實現以THz QCL為光源，以THz QWP為接收器的THz無線模擬通信鏈路[46]。該無線鏈路的基本原理如圖7[46]所示。該課題組隨后實現了基于THz QCL和THz QWP器件的20 bit/s的THz實時無線傳輸，誤碼率≤1× 10-8[47]，驗證了THz QCL和THz QWP作為高速THz無線通信系統收發器的潛力。從理論上講，THz QCL與中紅外 QCL類似，其電子壽命可以達到皮秒量級，本征帶寬能達到100 GHz[45]。

圖7 基于THz QCL和THz QWP的無線通信鏈路Fig.7 Scheme of THz transmission setup based on THz QCL and THz QWP

4 太赫茲量子阱探測器(THz QWP)

紅外量子阱探測器(Quantum Well Infrared Photodetector,QWIP)具有超高速調制性能，調制帶寬可以達到幾十GHz[48]。2017年，法國巴黎第七大學的Todorov課題組報道了第一個基于微腔結構的室溫工作的紅外QWIP外差探測器，并用兩個QCL拍頻，探測到了4 GHz帶寬的外差信號[49]。在理論上，THz QWP是QWIP在THz 波段的自然擴展，兩者具有類似的高頻高速探測性能。THz QWP是一種基于子帶間躍遷的單極半導體固態器件，峰值探測頻率在3～7 THz范圍，具有體積小、易集成、響應速度快、靈敏度高的特點，非常適合用于THz波段的高速無線通信的接收機。

THz QWP的探測原理為：當THz波入射到器件的光敏面時，位于量子阱中的束縛電子吸收光子能量后躍遷到接近勢壘邊的準連續態，這些光生載流子在外加偏壓的作用下形成光電流，通過測量光電流信號的變化就可以實現對THz光的探測[20]。通過調節有源區的勢壘高度、量子阱寬度以及材料的摻雜濃度等參數可以設計不同峰值響應頻率的QWP器件[50-51]。較低的子帶間吸收效率是制約THz QWP探測性能的主要因素，常規的QWP采用45°斜面入射的耦合方式。為了進一步提高器件表面的光收集效率，入射方式還包括一維或二維金屬光柵耦合[52],THz QWP兩種耦合方式的示意圖如圖8[53]所示。此外，采用金屬微腔耦合結構可以大幅提高器件對入射THz光的吸收效率，即等效為提高光收集效率，進而可以提高器件的工作溫度和探測靈敏度[54]。

(a) 金屬光柵正如射耦合

(b) 45°襯底斜面背入射耦合

2017年，曹俊誠課題組采用基于微帶線高速封裝THz QWP的全光學系統，實現了6.2 GHz調制帶寬的高速調制，驗證了THz QWP的高速調制性能。該系統實驗裝置如圖9所示[55]，光源采用中心頻率為4.1 THz 的QCL，高速調制的THz光入射到THz QWP之后會轉化成光電流，該電流也是被高速調制的。采用40 GHz調制帶寬的Bias-T來檢測調制包絡，之后采用低噪聲放大器對信號進行放大，最后在頻譜分析儀上進行信號測量。

同年，Paulillo等人報道了峰值探測頻率為3 THz的三維開口環結構高速QWP陣列探測器，其結構如圖10(a)所示，該器件包含了300個微腔單元，每一個單元都是一個開口環形天線，該器件可以工作在至少2.5 GHz的高速調制速度下，微腔陣列探測器的RF響應測試裝置如圖10(b)所示[56]。

圖9 THz QWP高速調制實驗裝置Fig.9 Experimental setup of the fast terahertz detection using a microwave transmission line equipped terahertz QWP

(a) 探測器示意圖及顯微照片

(b) THz QWP高速調制實驗裝置圖10 三維開口環結構高速THz QWP陣列探測器Fig.10 High speed THz QWP array detector with three-dimensional split ring structure

5 結束語

隨著6G應用場景中數據流量的指數增長，THz頻段的無線通信技術引起了全世界的高度關注。THz無線通信接收機是THz無線通信技術研究的關鍵。采用天線集成的UTC-PD與SBD相結合的準光學無線傳輸系統，可以在1 THz以下，實現高達十幾Gbit/s的數據傳輸速率。在2～7 THz的高頻波段，采用低溫制冷的THz QCL作為大功率發射器，高靈敏度高速探測的THz QWP作為接收機，可以進行GHz帶寬的高速調制。對于這些很有潛力的THz波段收發器，仍然有許多技術瓶頸需要突破。例如：為了適合于高頻應用，UTC-PD的發射功率和SBD的截止頻率還有待提高；對于大功率的THz QCL發射器，需要有效提高器件的工作溫度、光束質量和能量轉換效率，并使其更穩定地工作在連續波模式下；低溫下THz QWP的高速封裝和大規模陣列器件的制作技術仍然有待開發。從長遠來看，隨著THz波無線通信系統對收發器需求的不斷增加，相應的收發器研制技術必將日趨成熟。