太赫茲射頻器件與電路（三）

鐘 旻

1 實現太赫茲射頻器件與電路的第三條技術途徑：等離子技術

等離子體方法的目標是構造本質上在太赫茲頻率下運作的器件，即不需要從微波范圍上變頻轉換，或從光學器件產生光再下變頻轉換為太赫茲波，而直接從等離子體產生。等離子體早在20世紀20年代就已問世，而之后新的發現，特別是利用如石墨烯等二維納米材料，打開了室溫下工作的太赫茲納米器件的大門，使得它們對太赫茲通信特別有吸引力。

由圖1可見，利用等離子技術實現太赫茲通信收發信機，需要解決信號源的產生、變頻、調制、放大和濾波等問題。為此，需首先弄清等離子體、等離子體波（Plasma Wave）與表面等離子極化激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）的概念和利用它們產生太赫茲波的原理。

圖1 利用等離子技術實現太赫茲收發信機的基本組成框圖

2 利用等離子技術產生太赫茲波的原理[1][2][3]

等離子體或等離子態，是指數目幾乎相等的正負離子構成的物質形態，如電離氣體。實際上，金屬中的傳導電子、半導體體中的電子與空穴，也滿足等離子體條件。這是物質的電子從原子中剝離出來成為自由電子和離子組成的，其共同的條件是體系整體上近似呈現電中性。

理論與實踐都證明，某些氣體（如空氣）、液體（如水）和固體（如鋁箔）等離子體均可激發出太赫茲波（見圖2），它們是在等離子體中產生的電磁波，稱等離子體波。在圖2中，使用了飛秒光纖激光器輸出飛秒光脈沖，作用于這幾種等離子體，便能誘導出太赫茲波。飛秒光纖激光器是一種主要由光纖激光器構成，具有飛秒（10-15秒）區持續時間的脈沖激光器。飛秒激光不是單色光，而是中心波長在800 nm左右的一段波長連續變化光的組合，利用這段范圍內連續波長光的空間相干，來獲得時間上極大的壓縮，從而實現飛秒量級的脈沖輸出。

圖2 利用氣體、液體和固體等離子體激發出太赫茲波

需要指出，用等離子體波輻射到自由空間時，效率是很低的。從太赫茲通信收發設備應用的角度看，既要解決等離子體產生太赫茲波構成信號源并能向自由空間有效輻射，又能小型化，以及便于與其他器件和電路的集成，特別是做成平面電路結構等，使其利于手持、車載和室內基站與終端的實現。于是表面等離子極化激元（SPP）的應用便受到了特別的關注。它是指空氣或介質與金屬表面的自由電子相互作用而引起的一種電磁波模式。即一種沿著介質和金屬（導體）界面方向傳播的表面電磁波，一般是電磁場與導體內等離子體相互耦合的縱向振蕩模式，而其沿界面垂直方向上傳播振幅呈指數衰減，如圖3所示。在電場作用下，金屬中的電子分布不均勻，電子密集處相對于稀疏處形成了正負電荷交替的區域，是表面波振蕩模式。理論研究表明，這是一種橫磁（TM）波，即磁場只分布在垂直于傳播方向的橫截面上，沒有縱向（傳播方向）分量。SPP波可用電子激發，它是通過發射電子進入一塊金屬，由于電子散射，其能量轉變為體等離子，散射矢量中平行于表面的分量而形成SPP。此外，利用光脈沖通過適合的方式可激發太赫茲SPP波。

圖4（d）是棱鏡耦合和光柵耦合達到匹配的示意圖（圖中圓圈）。

圖4 自由空間光與SPP波的耦合匹配方法

據研究，構成上述介面的金屬可用金、銀等導體，介質可用硫化鋅、二氧化硅、砷化鎵等。近年來，石墨烯異軍突起，成為太赫茲器件的一個熱點。

石墨烯的構成如圖5（a）所示。它是由單層的碳原子構成的蜂窩晶格。由于其厚度僅為一個碳原子的尺寸（約0.34 nm），因此是二維的結構。圖5（b）是能帶圖，導帶和價帶呈錐形，稱為Dirac錐。二者之間無禁帶。當石墨烯吸收光子時，高能量光子，可導致電子帶間躍遷，產生近紅外波長的輻射；對于低能量的光子，則引起電子的帶內躍遷，產生遠紅外或太赫茲波輻射。

圖5 （a）石墨烯的構成（b）能帶圖

從微電子應用的角度看，石墨烯具有以下的特性。

（1）高導電性。石墨烯作為一種半導體，電阻率極低，約為10-6Ω·m，比銀、銅的低。故自由電子在其中的運動速度達到光速的1/300。其高的電子和空穴遷移率（在室溫下高達2×105cm2/Vs，而當T＜55 K時高達107cm2/Vs），對超高速信號具有極好的響應能力。

（2）可調諧性。通過適當偏置或光激發可對石墨烯構成的元、器件的諧振頻率進行調諧，具有適應不同太赫茲工作頻率的靈活性。

（3）寬帶特性。石墨烯具有寬帶吸收性，其導帶與價帶之間為零帶隙[圖5（b）]，無色散，在超寬頻帶內具有線性相位，這意味著石墨烯器件對寬帶、超寬帶信號不會造成波形失真。

（4）高機械強度和高散熱系數。

（5）超小尺寸。除二維結構外，對相同頻率，在石墨烯中的波長比在自由空間的縮小數百乃至千倍，而許多太赫茲器件與工作波長是成正比的，因而可構成納米級器件。

作為例子，圖6是利用石墨烯產生太赫茲SPP波的示意圖。它是在以金屬作為接地板，上放置一介質片，再在上面覆蓋一層石墨烯，介質片與石墨烯的尺寸是10～100 nm×1 000 nm。可采用電磁波或光脈沖作為泵源。

圖6 利用石墨烯產生太赫茲SPP波

需要說明，利用電源激勵，基于雙層分別摻入n和p型雜質的石墨烯，在外電場作用下分別形成二維電子氣和二維空穴氣等離子體，電子從邊界接觸處注入，從而在石墨烯之間形成反轉粒子而產生太赫茲輻射，但其強度不及光波激勵。

另一例子是一種“納米發射機”用的高電子遷移率晶體管（HEMT），如圖7所示。關于HEMT的構成和原理，在“太赫茲射頻器件與電路（一）”中已有介紹。不同的是，這里柵極不是使用金屬-半導體結構成的，而是代之以石墨烯，下面為絕緣層（InGaAs）和GaN或GaAs，二者間隔著二維電子氣（2DEG）。

圖7 （a）“納米發射機”用的高電子遷移率晶體管（HEMT）（b）柵區下二維電子氣形成諧振

圖7（a）中，HEMT柵極下的二維電子氣是在異質結界面運動的電子流。這里采用無線電泵激發，在二維電子氣中產生等離子體波，然后再以無線方式，將其耦合到石墨柵上感應出SPP波。研究得知，當柵長（L）設計為100～200 nm時，等離子體波將對1～4 THz的頻率產生諧振，如圖7（b）所示，即電荷的振蕩，從而在石墨烯柵極界面上耦合感應與此頻率相近的SPP波，這兩種波形在傳播特性上是匹配的。所連接漏極與源極的電壓源，在基帶信號的控制下，通過“通”“斷”電壓，對SPP波進行調制。

3 無源器件

在無線電射頻電路中，電路功能是通過有源與無源器件的組成來實現的。無源器件主要是電阻類、電感類、電容類器件和傳輸線等，它們的共同特點是在電路中無須加電源即可在有信號時工作。有源器件包括信號產生（振蕩）器、放大器、調制解調器、倍頻/分頻器等。下面舉例介紹若干太赫茲收發信機中可能使用的無源器件。

3.1 傳輸線[4][5][6][7][8]

3.1.1 微帶傳輸線

傳輸線是用來傳送射頻（太赫茲波）信號的。在收發電路中，要采用傳輸線將有關器件連接。常見的有微帶和波導。用于傳輸太赫茲波的一種采用石墨烯的微帶傳輸線結構如圖8所示。通過理論和實驗表明，這種微帶傳輸線的基模為橫磁（TM）模，主要在襯底內導行；而沿著金屬-二氧化硅界面則傳導SPP模，就是說此結構可作為太赫茲波的傳輸線。對于圖8（a）中所給尺寸，工作頻率范圍為0.5～1.8 THz。圖8（b）則是其橫截面上基模和SPP模光場的分布。

圖8 一種采用石墨烯的微帶結構和橫截面上的光場分布

圖9 有石墨烯的微帶線的傳播常數和特性阻抗隨頻率的變化關系

研究表明，改變SiO2的高度，微帶傳輸的傳播常數隨頻率仍近似為線性；而對特性阻抗的實部則有較大的影響，這為優化設計提供了有價值的參考。

3.1.2 波導

在微波-毫米波頻段，波導是一種常用的三維傳輸線，也可推廣應用于太赫茲波，因太赫茲波導尺寸極小，也可集成于平面電路上。波導可由金屬或介質構成，其橫截面有矩形或圓形，或平板形等。

一種用于太赫茲波的金屬與石墨烯構成的矩形波導如圖10所示，圖中顯示的是波導的橫截面，傳輸方向（Z軸）未畫出。矩形四邊為金屬（導體）片構成，b為窄邊；2a為寬邊，分別為波導中的相對介電常數和導磁率，在中間（X=0）插入一石墨烯薄膜。石墨烯的導電率是根據邊界條件，波導內在金屬壁上的切向電場分量為0，僅存在電力線與金屬內壁垂直的電場分量。理論上滿足此邊界條件的電磁場分布結構有無數個，但是離散的。其中橫電橫模是它的基模（m=1），它的電場力線與Y軸平行，其幅度沿X軸為半個余弦波分布；m=2則為兩個半波余弦分布。

圖10 金屬與石墨烯構成的太赫茲波矩形波導橫截面圖

圖11 歸一化傳播常數隨頻率變化的曲線

另一例為圖12所示的圓形波導。其圓截面上，從圓心向外，標明的三個半徑分別記為R1、R2和R3；三個分區中，I區和III區用半導體材料InAs填充，II區填充絕緣材料SiC，其內、外層表面則覆蓋石墨烯薄膜。

圖12 含有兩層石墨烯的圓柱介質波導

這種波導傳輸的主模為LP1模，低次模為LP01和LP11，其光強分布如圖13所示。

圖13 （a）LP01的光強分布（b）LP11的光強分布

選擇不同的R1，可獲得低傳輸損耗的性能，圖14是R1分別取時，傳播衰減常數隨頻率的變化關系。由圖14可見，當時，衰減常數為0.55 dB/m；與傳統采用的鍍銀介質波導衰減常數為7～8 dB/m相比，其低耗性能有了大幅度的提升。

圖14 不同R1的兩層石墨烯圓柱波導傳播衰減常數隨頻率變化曲線

實際上，已有許多不同形狀結構的利用石墨烯的介質波導，其中一些如圖15所示。

圖15 若干利用石墨烯薄膜構成的太赫茲納米線（GCNW）波導

圖15中，（a）為圓形截面，（b）為橢圓截面，（c）為類同軸，（d）為類長同軸，（e）為成對圓形，（f）為蝴蝶領結形，（g）為傳統，（h）為對稱的基于GCNW混合波導，（i）為修改對稱的GCVW，（j）為基于三角形圓形介質集成的GCNW混合波導，（k）為一維陣列GCNW，（l）為二維陣列GCNW，（m）為三聚體。

3.1.3 共面波導（CPW）和平面Goubau傳輸線（PGL）

在介質基片的一個面上制作出中心導體帶，并在緊鄰中心導體帶的兩側制作面積較大的導體板構成接地平面，這樣就構成了共面波導（CPW），又叫共面微帶傳輸線，其基本組成的橫截面圖如圖16（a）所示。共面波導傳播的是準TEM波。由于中心導體與導體平板位于同一平面內，因此，在共面波導上并聯安裝元器件很方便，用它可制成傳輸線及元件都在同一側的單片微波集成電路。

圖16 （a）共面波導（CPW）橫截面和電場分布圖（b）平面Goubau傳輸線（PGL）橫截面和電場分布圖

若將共面波導上面的接地板去掉，便得到另一種稱之為平面Goubau線的傳輸線（PGL）。如圖16（b）所示。研究表明，在太赫茲頻段，PGL比CPW具有更低的傳輸損耗。

3.2 模式轉換[9]

在太赫茲傳輸線中，有多種模式（波型），如需互連時，要接入模式（波型）變換器來匹配。圖17給出了一些模式轉換的例子。圖17中，（a）是將CPW通過椎形變換過渡到PGL；（b）將輸入的太赫茲波轉變為SPP波在輸出端之前再再轉換為太赫茲波；（c）將共面波導輸入端口處的橫電磁（TEM）波轉變為SPP波；（d）將微帶線的TEM波轉換為等離子體波導的SPP波。

圖17 傳輸線模式轉換舉例

3.3 濾波器[10][11][12]

濾波器的作用是進行頻率選擇，即選取出有用信號的頻帶，濾除或抑制不需要的頻帶，有低通、高通、帶通、帶阻等。通常用插入損耗來描述其通帶和阻帶的性能，要求通帶內的插損要低，阻帶內的插損要高。這幾種濾波器的理想特性如圖18所示。此外，通帶與阻帶之間的過渡要盡可能陡峭。

圖18 濾波器的理想特性

在太赫茲波電路中，特別是平面集成電路，濾波器大多使用分布參數的元器件來構成，下面是傳輸線型帶通、高通和帶阻濾波器的舉例。

（1）一種微帶交指帶通濾波器如圖19所示，圖19（a）為原理圖，（b）為三維圖。

圖19 一種微帶交指帶通濾波器

從帶通濾波器的原理可知，它是由若干個諧振器耦合級聯構成的，這里由五根四分之一波長微帶線組成，一端開路，另一端短路[圖19（a）中穿孔接地]，按照傳輸線原理，每一根都是一個諧振器，當信號中心頻率等于它的自然諧振頻率時，便會產生諧振，線上的電流是純駐波，由它激起的交變電磁場會耦合到下一個諧振器中去。這樣，一節一節地將信號從輸入端輸送到輸出端。當不需要（無用）的信號頻率遠離微帶諧振器的自然諧振頻率時，耦合極其微弱而幾乎沒有輸出。總之只有在微帶諧振器自然諧振頻率附近的信號頻率分量，才能通過濾波器，因此具有帶通性質。

這種濾波器的尺寸是W=24 μm，L=30μm。按圖19的結構和設計，獲得了雙帶通的性能，按3 dB帶寬計算，第一個通帶的頻率范圍是0.97～1.02 THz，第二個通帶的范圍是1.47～1.52 THz。此濾波器的金屬帶條上貼有石墨烯薄膜，其優點是其可調諧性，研究表明，通過電調，可將石墨烯的化學勢值從0.09 eV改變為0.11 eV，相應帶通濾波器的諧振頻率可以在0.14 THz的范圍內調諧。

（2）圖20是一種利用耦合微帶線構成的帶阻濾波器。圖20（a）中，在主微帶傳輸線兩側放置三節微帶短線，按照微帶線理論，設計每節微帶等效一個諧振器，并與主傳輸線耦合。當太赫茲信號通過主傳輸線先后經這三節微帶短線所對應位置時，與諧振器自然諧振頻率相同的信號頻率分量，將在諧振器中產生共振，換言之，這些信號頻率分量為諧振器所吸收，經此三個諧振器的共振吸收后，到達主傳輸線的輸出端口的這一部分信號頻率分量已被大大削弱，從而起到了帶阻的作用；阻帶外的信號因電路對它們不產生共振吸收，故將無衰減，或衰減很少而輸出。

圖20 一種利用耦合微帶線構成的帶阻濾波器

為獲得可調諧性能，微帶的金屬帶條上覆蓋了一層石墨烯薄膜，通過改變其化學勢可改變阻帶的中心頻率。此濾波器的一個樣品的性能如表1所示。

表1 此濾波器的一個樣品的性能

圖21是一種利用微帶分支線構成的高通濾波器，微帶帶條的金屬導體表面覆蓋有一層石墨烯薄膜，取適當的化學勢來確定電路參數（注：化學勢，一個物種的化學勢是由于給定物種的粒子數的變化而可以吸收或釋放的能量。就石墨烯而言，其電導率與化學勢有密切的關系，可通過理論分析和實際測量得到定量的結果，用以設計和控制石墨烯器件的性能參數）。圖21（b）、圖21（c）為傳輸線和集總參數等效電路。圖21（a）中，微帶基片尺寸為2.25μm×2.30 μm，厚度為200 nm，基片介質為二氧化硅，相對介電常數為3.9。通過短路分支線與主線并聯構成高通濾波器。按微帶傳輸線理論，對于適當長度（小于四分之一波長），高特性阻抗短路分支線在主線接入點處等效為一并聯電感，當二并聯電感之間，主線的一小段微帶寬度較寬（低特性阻抗）時，呈容性，于是得到圖21（b）、圖21（c）的等效電路。

圖21 一種利用微帶分支線構成的高通濾波器

結果所獲得的高通濾波器插入衰減特性如圖21（d）所示。其中，截止頻率f1所對應的插入衰減LA=1.4 dB，f＞f1時，LA＜1.5 dB。在阻帶，當f=2 THz時，LA=9.5 dB。在2～5 THz之間的過渡帶不夠陡峭，這是因為微帶分支數較少所致。增加并聯分支數即濾波器節數，可使性能進一步改善。

4 變頻器、調制器和放大器[13]-[17]

4.1 變頻器

上、下變頻器是外差式收發信機必要的器件，在發射機中上變頻器將中頻信號變換為太赫茲射頻信號，進而饋送給天線向空間輻射；是在接收機中下變頻器則將太赫茲射頻信號變換為中頻信號，以便之后的解調處理。變頻是通過混頻器實現的，數學上，具有非線性特性的混頻器是一個乘法器，將加入本振與信頻信號二者相乘，得到和、差頻分量。所產生的差頻分量是為中頻信號；而和頻分量則為射頻信號。

注意到，本振為太赫茲源，另外，GFET工藝制作也較為復雜。有研究發現，直接利用片狀石墨烯產生的非線性效應更為便捷。如圖22所示，當單一角頻率的電磁波入射到石墨烯基片上時，將感應產生電流，理論上它包含有無數個奇數階的諧波，其幅度隨階次的增加而緩慢下降：

圖22 利用GFET構成混頻器

圖23 利用石墨烯產生倍頻

作為例子，這里給出了基于石墨烯僅用單級、在射頻為330～500 GHz頻段工作的分諧波混頻器，它對本振具有高次倍頻作用，同時實現上變頻或下變頻的功能，輸入本振信號頻率范圍是26～40 GHz，中頻約為400 MHz。所采用的原理電路如圖24所示。以下變頻為例，本振與射頻信號分別從各自的波導端口輸入，在混頻器電路中的石墨烯薄膜處交會，產生的中頻信號經中頻濾波器后從中頻口輸出。圖24（b）、圖24（c）分別為下變頻和上變頻的頻譜圖。

圖24 利用石墨烯分諧波混頻的電路舉例

因為中頻固定為400 MHz，對于不同的射頻，所需本振的頻率近似值和倍頻階次如表2所示。表2中的頻率單位為GHz。由于石墨烯強的非線性，通過單級倍頻便可實現，而用傳統的倍頻器，則需多級級聯，這是石墨烯具有的突出優點。

表2 對于不同的射頻所需本振的頻率近似值和倍頻階次

4.2 調制器

對太赫茲波的調制可采用調頻、調相、調幅（或強度調制）和極化調制等方式。其中獲得廣泛應用的是振幅調制和相位調制，因為它們易于與硅基光電電路集成。圖25列出了其中的關鍵技術。圖中，選用二維材料是為了使所構成的器件微型化、平面化，以便于系統集成。石墨烯是理想的二維材料。過渡金屬硫化物（TMGDC）也是一種二維材料，主要有二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硫化錸（ReS2）、二硒化鈦（TiSe2）、二硒化鈮（N bSe2）、二硒化錸（ReSe2）等。它們具有優異的機械性能、光學性能，能耗低，可用作納米電子器件、光電子器件和柔性電子器件等。混合材料則是用石墨烯和其他介質材料結合起來構成調制器。

圖25 太赫茲調制的關鍵技術

全光調制、磁-光調制和電-光調制都被證明是可行的。但全光調制需要增加一個用于調制的激光源，而磁-光調制的實現又較為復雜。相比之下電-光調制技術成熟，應用更為普遍。起調制作用的載流子的濃度，可以通過電子注入或耗盡來調節。

以振幅調制為例，如圖26所示，用p型輕摻雜的硅（Si）構成介質波導，波導厚度為355 μm，脊高80 μm，寬230 μm。波導介質折射率為3.5，其傳輸的基模為TE模和TM模。在波導橫截面的中間插入一石墨烯膜片，膜片的上下面各覆蓋一層150納米厚的二氧化硅。通過石墨烯片與波導面間的電極連接調制電源以進行調制。由波導導引的太赫茲波穿透石墨烯片，而在石墨烯和硅之間所加電壓可改變石墨烯中的載流子濃度，也就是改變其介電常數。據光學原理，介電常數是個復數，描述了介質材料對光（電磁波）的響應。其實部反映了介質的折射特性，虛部則反映了介質的吸收特性。當太赫茲波在介質波導中傳播時，由于介電常數虛部的作用，部分能量將被吸收而導致傳輸強度的下降（衰減），虛部的絕對值越大，吸收能力越強。衡量振幅調制的一個基本、重要的指標是振幅調制深度。在本案例中，加入的是開關脈沖序列，當脈沖輸出電壓為0（相當于開關“斷”）時，太赫茲波輸出強度最大（Tmax），而有輸出（相當于開關“通”）時則輸出強度最小（Tmin），按定義，振幅調制的調制深度MD（%）為

圖26 （a）一種利用插入石墨烯膜片介質波導的振幅調制（b）調制深度隨頻率變化曲線

據報道，該調制器對0.2～0.7 THz頻率范圍的TE模太赫茲波的振幅調制深度達90%。

4.3 放大器

如圖27所示為納米發射機用的高電子遷移率晶體管（HEMT），當從柵極輸入太赫茲信號時，將在漏極中獲得放大。此外，還有若干種類的太赫茲放大器，其中一例是利用集成波導的行波型太赫茲波放大器。如圖28所示，此波導由碳化硅（SiC）襯底和沉積的多層石墨烯（MGL）組成。研究發現，當波導受到一激光泵浦激勵時，沿著波導傳輸的太赫茲波將得以放大。

圖27 基于多層石墨烯的太赫茲放大器

圖28 （a）不同光泵強度下MGL的電導率的頻率特性（b）光泵MGL的增益頻率特性

5 應用舉例[18]

圖29給出了一種納米收、發信機基本架構原理圖。收、發信機的核心器件是采用石墨烯作為柵極的HEMT[見圖26（a）]。在發射機中，HEMT漏極與源極連接電壓源，在加入基帶信號的控制，利用“通”“斷”電壓，對SPP波進行調制。之所以用此方式，其中之一優點是利用SPP波便于將HEMT與等離子納米發射天線連接（見圖30）。

圖29 一種納米收發信機基本架構原理圖

圖30 HEMT輸出通過T形饋線與天線連接

6 結束語

等離子技術是實現太赫茲射頻器件與電路的另一條技術途徑。本講座通過一些具體例子介紹了其工作原理。由于二維材料如石墨烯等的出現，它們具有許多特有的物理、化學特性，可構成高性能、納米型結構的電路與器件，隨著研究與工藝的推進，這些器件與電路已日臻完善配套[19][20][21]，是很值得期待的。當然，要達到完全成熟和實用化的程度，尚須進行許多工作。