太赫茲技術(shù)的用途和挑戰(zhàn)

?對(duì)太赫茲技術(shù)的研究可能是下一代無線和先進(jìn)成像技術(shù)的關(guān)鍵。

太赫茲技術(shù)使用位于紅外光和毫米波長(zhǎng)之間的電磁光譜的亞毫米波段。太赫茲輻射的范圍在 30 微米到 3 毫米之間，比紅外光具有更好的深度穿透力，比微波具有更高的分辨率。太赫茲輻射也是非電離的，因此可以安全地在人和動(dòng)物周圍使用。

電磁波譜中的太赫茲波段。

本文重點(diǎn)介紹太赫茲的一些用途。我們還將討論研究人員如何研究太赫茲信號(hào)的生成和檢測(cè)以克服無線實(shí)施的挑戰(zhàn)。

太赫茲技術(shù)的用途和挑戰(zhàn)

從世界上第一個(gè)太赫茲IC到最緊湊的太赫茲激光器，在過去的一個(gè)世紀(jì)里太赫茲波長(zhǎng)一直是一個(gè)熱門的研究課題。近年來，太赫茲研究在從先進(jìn)傳感和光譜學(xué)到下一代無線通信的方方面面都有潛在應(yīng)用。

太赫茲光譜儀示意圖。圖片由RSC Advances提供 太赫茲技術(shù)在醫(yī)療應(yīng)用中很有用，包括皮膚成像和牙科診斷。它也常用于非破壞性的安全篩選和檢測(cè)不需要的材料。也許最常見的是，太赫茲技術(shù)被認(rèn)為可以產(chǎn)生低延遲和快速的無線數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)減少擁塞，使其成為第六代無線通信(6G)的可能候選人。 研究人員已經(jīng)證明，使用太赫茲波長(zhǎng)可以產(chǎn)生超過 5G 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速度。即便如此，這些技術(shù)仍處于早期開發(fā)階段，并面臨路徑損耗等關(guān)鍵挑戰(zhàn)——電磁波在給定介質(zhì)中傳播時(shí)的功率密度降低。太赫茲技術(shù)也很昂貴，缺乏有效的光源和探測(cè)器設(shè)計(jì)，使其無法被廣泛采用。

研究人員研制出高靈敏度太赫茲探測(cè)器

最近，來自劍橋大學(xué)、奧格斯堡大學(xué)和蘭開斯特大學(xué)的一組科學(xué)家發(fā)表了他們關(guān)于一種新型的使用二維電子氣體的太赫茲探測(cè)器的發(fā)現(xiàn)。電子氣體可以在兩個(gè)軸上自由移動(dòng)，但在第三個(gè)軸上卻受到嚴(yán)格限制，因此在3D環(huán)境中以2D平面的形式存在。

通過將傳感器暴露在太赫茲輻射下，研究人員能夠讀出比先前理論更強(qiáng)的信號(hào)。他們將這些發(fā)現(xiàn)歸因于電磁波與不同頻率物質(zhì)相互作用的方式——建立在我們已經(jīng)熟悉的光電效應(yīng)之上。

由德國(guó)物理學(xué)家海因里?！?shù)婪颉ず掌潱℉einrich Rudolf Hertz）發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超過一定能量閾值的光照射到選定材料的表面時(shí)，就會(huì)發(fā)生光電效應(yīng)。然后釋放先前與該材料結(jié)合的電子。這是太陽能發(fā)電和光學(xué)成像傳感器等許多重要現(xiàn)代技術(shù)的基礎(chǔ)。 到目前為止，還沒有觀察到光電效應(yīng)在太赫茲范圍內(nèi)起作用。雖然這組科學(xué)家仍然不完全理解他們的發(fā)現(xiàn)如何以及為什么起作用，但他們的實(shí)驗(yàn)證明為太赫茲技術(shù)的未來帶來了很多好處。這一新特性被命名為“平面內(nèi)”光電效應(yīng)，源自二維電子氣平面。 當(dāng)它檢測(cè)到太赫茲輻射時(shí)，該團(tuán)隊(duì)的傳感器會(huì)產(chǎn)生比其他方法強(qiáng)得多的響應(yīng)幅度。這使新探測(cè)器具有相當(dāng)高的靈敏度，從而減輕了衰減信號(hào)的路徑損耗。

鋰改善太赫茲光子源

太赫茲技術(shù)的另一項(xiàng)最新發(fā)展，這次是在信號(hào)生成領(lǐng)域，來自中國(guó)南開大學(xué)的一組研究人員和他們?cè)诩幽么?INRS-ENT 的同事。在王家一教授、夏世奇教授和王瑞德教授的帶領(lǐng)下，開發(fā)了一種用于新型太赫茲源模塊的鈮酸鋰光子芯片。 所討論的材料是一種非天然晶體，其化學(xué)成分為鋰、鈮和氧。這種材料常用于工程，特別是電信和非線性光學(xué)。

Su-Schrieffer-Heeger型微結(jié)構(gòu)中太赫茲波的非線性產(chǎn)生和限制

該團(tuán)隊(duì)使用包含鈮酸鋰波導(dǎo)條的光子微結(jié)構(gòu)制造了他們的傳感器。這些條帶能夠進(jìn)行局部平凡和非平凡（nontrivial transitions）的轉(zhuǎn)變。接下來，他們使用飛秒激光寫入方法，在光子芯片的中心界面插入了拓?fù)淙毕?。該團(tuán)隊(duì)直接繪制了一個(gè)太赫茲場(chǎng)，展示了沿其芯片的可調(diào)諧限制。使用這種方法，科學(xué)家們通過拓?fù)浔Ｗo(hù)實(shí)現(xiàn)了波限制。 這項(xiàng)研究為工程師提供了一個(gè)新平臺(tái)來調(diào)整太赫茲輻射的限制和拓?fù)涮匦?，為光子電路在先進(jìn)的電信和成像應(yīng)用中用于信號(hào)生成開辟了新的可能性。

推動(dòng)6G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展

采用太赫茲技術(shù)的一個(gè)主要障礙是如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中高效、廉價(jià)和可操作的收發(fā)模塊。解決這些問題不僅需要先進(jìn)的醫(yī)療和安全太赫茲傳感器，還需要開發(fā)其他間接依賴于更快無線協(xié)議的新興技術(shù)。 目前的無線技術(shù)不支持全息技術(shù)、人工智能，甚至不支持足夠大規(guī)模的4K視頻流——即使有5G標(biāo)準(zhǔn)的理論限制。劍橋大學(xué)和南開大學(xué)的這兩項(xiàng)新發(fā)現(xiàn)為使用太赫茲頻率的電子產(chǎn)品提供了可能性，推動(dòng)了第六代無線網(wǎng)絡(luò)的未來發(fā)展。

審核編輯 ：李倩