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利用电子和光子技术生成和分析太赫兹信号

Dr. Taro Eichler, Rohde & Schwarz

商用6G网络的推出时间预计在2030年，利用可以提供更低延迟、更高容量和增强频谱共享的无线电技术的竞赛正在进行中。6G规范最关键的是如何实现最佳的分布式无线接入网络，并超越5G的千兆赫兹（GHz）技术。实现这种性能飞跃的一种可能性是将频率提升到太赫兹（THz）。太赫兹技术处于微波电子和光子之间的频率范围。在过去20年中，这一领域引起了人们越来越多的兴趣，现在大家瞄准的目标是感知、成像和数据通信中存在的令人兴奋的机会。自近100年前在电和光/红外区域之间建立起联系的开创性工作以来，高效、稳定和紧凑的太赫兹源和接收器的开发正在使太赫兹技术成为现实。

6G移动通信的成功从根本上将取决于更短的延迟、更高的数据速率、更好的服务质量和更大的系统容量，太赫兹正是实现这一目标的核心。太赫兹的频率从0.1到10THz或波长在3毫米和30微米之间，太赫兹占据了微波和光波之间的频谱区域。它具有提供大型连续频段的Tbps级别极高数据速率的前景，使其成为下一代6G无线通信的关键研究领域。探索和解锁这一频率区域的研究工作需要跨学科的方法，要求用于射频电子的高频半导体技术和光子技术之间的密切互动。太赫兹在许多应用领域显示出了巨大前景，包括成像、频谱分析和感知等。¹

产生太赫兹信号有多种方法。MMIC是显而易见的候选者，但基于光子技术的方法也将发挥关键作用。将今天的实验室装置小型化为光子IC的前景意味着这些方法未来可能成为主流。在通信领域，100至500GHz的频率范围仍然是一个未开发的区域，但该领域的研究正在引起人们越来越多的兴趣，因为这些高频载波蕴含了巨大的信道容量。挑战和机遇正在使太赫兹成为电磁频谱的最后前沿阵地。

缩小太赫兹功率差距

图1显示了在0.1到10THz频谱中所谓的"THz功率差距"。该图用实线表示传统的太赫兹源，用椭圆表示最近开发的太赫兹源。该图显示了这一区域的功率明显下降。

图1 太赫兹辐射功率与频率的关系。²

由于损耗过大和载流子速度有限，太赫兹频率对电子设备来说太高了。由于缺乏能提供足够小带隙的材料，它对光子设备来说又太低了。太赫兹区域的可用功率比其他频谱区域低很多。类似的趋势也发生在信号检测中，在这个频谱拥挤的世界里，这个差距使频谱资源没有得到充分利用。

产生太赫兹辐射的主要方法有三种：经典电子学的方法、利用量子级联激光器直接产生太赫兹的方法和利用光电子间接产生的方法。图2显示了电子和光子太赫兹辐射源。

图2 产生太赫兹辐射的三种主要方法。

上变频：电子方式的太赫兹产生和分析

经典方法已经有了巨大的发展。这些元器件非常紧凑，可以在室温下正常工作。但缺点是，经典的电子技术不能解决带宽和效率的限制。更糟糕的是，电子源在太赫兹频率下变得低效，只能提供有限的频率调谐。

幸运的是，罗德与施瓦茨等供应商提供了射频测试设备，以支持毫米波和太赫兹范围的6G半导体、设备和电路特性表征研究。频率范围为110至170GHz的D波段正成为研究的重点。支持亚太赫兹和太赫兹研究的测试方案包括矢量网络分析仪（VNA），通过外部变频器扩展其可用于高达1.1THz的器件特性表征。通过外部谐波混频器可将信号和频谱分析仪的频率范围扩展到D波段和其他高达500GHz的频段。倍频器可将信号发生器的频率范围扩展到170GHz及以上。借助发射（Tx）和接收（Rx）变频器，可以实现D波段信号的产生和分析，还可以结合电波暗室进行天线辐射性能测量。

具有计量级精度的VNA太赫兹测量

频率高达67GHz的测量是网络分析仪的标准功能的一部分。然而，毫米波和太赫兹范围内的测试要求明显更高，因为它们需要外部变频器。这些变频器对激励信号向上变频，对响应信号向下变频，以描述在太赫兹频率下工作的器件的特性。

表征线性和非线性范围内的有源元件需要在探针尖端标定输入功率。由于无法在晶圆上进行功率校准，因此在校准波导输出功率时需要考虑额外的连接波导、1毫米电缆和探针尖端所带来的损耗。对于功率扫描和压缩点测量，R&S ZNA内部集成的校准程序可补偿毫米波变频器的非线性，从而可提供最大的测量动态范围和可重复性。R&S ZNA使用具有计量级精度的毫米波变频器。³ 这使得有源元件的测量在高频和在低频时一样方便。图3a显示了基于R&S ZNA的代表性测试装置。图3b显示了为330GHz晶圆级测量专门修改的测试装置。

图3 R&S ZNA矢量网络分析仪（a）。R&S ZNA与MPI TS150-THZ探针台系统，用于330GHz测量（b）。

D波段宽带信号的产生和分析

D波段具有几GHz带宽的前景，已经成为6G研究的重点频段之一。图4显示了一个典型的信号产生和分析装置，用来支持D波段的元器件和收发机研究工作。R&S FE170ST发射前端将来自R&S SMW200A矢量信号发生器的调制信号上变频到110至170GHz。R&S FE170SR接收前端对信号进行下变频，并将中频（IF）传输到R&S FSW信号和频谱分析仪。

图4 FE170ST和FE170SR D波段信号产生、分析和测试装置。

D波段的天线辐射性能测量

5G率先在毫米波无线通信中使用空口（OTA）测试。这是因为大规模和极小型的天线阵列不易进行传导测试。⁴ OTA天线测试还可以扩展到D波段和其他波段，用于太赫兹通信和感知的探索。未来的设备将装备更高集成度的有源天线系统，用于超大规模MIMO和感知应用。随着6G研究逐渐侧重于100GHz以上的频率，迫切需要在新的宽带高增益天线设计和天线测量程序方面取得进展。

从传统的6GHz以下的蜂窝通信服务转向5G NR FR2需要重大的技术飞跃。由于路径损耗是随着频率的平方而增加的，具有电子波束导向能力的更高增益天线被引入用户设备和网络基础设施，以确保无线电链路的性能。随着IC的复杂性随频率的增加而急剧增加，现在大部分的开发都以D波段和G波段（140至220GHz）的新波导产品为目标。罗德与施瓦茨公司开发了一种球面扫描解决方案，用于测量D波段的辐射性能。该解决方案采用具有直接下变频功能的新型探针，可在170GHz下提供超过50dB的动态范围。R&S ATS1000暗室的移动球面扫描方法简化了测试要求，因为不再需要进行机械改造或额外的射频布线，就可以测量被测设备（DUT）在110至170GHz的幅度和相参响应。

举例：D波段天线的OTA测试

图5显示了一个新设计的基于IMST D波段透镜的漏波馈电天线，在球面近场扫描的系统中进行评估。辐射方向图的测量在R&S ATS1000中进行，其中包括分布式轴定位器。此DUT可用于6G前传点对多点场景。简化的馈电结构由一个椭圆透镜组成，该透镜由低介电常数（ε_r=2.34）、低损耗、高密度聚乙烯（HPDE）制成，直径为35毫米（170GHz时为20λ）。馈源由一个λ/2漏波空腔组成，由WR6波导激发。辐射方向图可以通过沿透镜焦平面移动馈源装置来控制调整。

图5 球面扫描系统的框图和测量装置。

图5中透镜天线下面的DUT馈电组件被用来进行相参和时间稳定的测量。该链路包括一个与探针处相同的D波段次谐波混频器和一个连接到DUT的WR6波导的D波段隔离器。测量是通过R&S ZNA43四端口VNA进行的，仪器前面板的一个端口将中频信号馈送到DUT。

图5中的框图显示了测量探针的设计概念。正交模转换器与20dBi的方形喇叭天线相连，该天线在整个D波段内的3dB波束宽度为16度，交叉极化隔离度为25dB。当DUT设置为Rx或Tx时，该探针实时交互工作，同时发射或接收两个正交极化的电场。信号下变频或上变频直接在探头处发生，有效消除了射频电缆带来的损耗。两个极化分量可以同时测量。

图6中的结果显示了DUT全波仿真结果和实际测量结果之间的极佳一致性。这证实了涉及新探针设计技术的测量系统的准确性。对于无源天线测量，可以成功实现从近场到远场（NF2FF）转换的相参数据采集。未转换的红色测量结果显示，辐射方向图的主波束已经接近远场渐近行为。

图6 E面和H面的方向图。

高效率的D波段透镜天线在42%的带宽上实现了大于30dBi的增益。该天线特性的精确表征是通过球面扫描系统进行的，该系统能够进行稳定的相参测量，并在DUT输入和测试探针输出端直接进行频率转换。相参是支持近场到远场转换算法的精确应用的必要条件，这对准确测量辐射方向图的零点和副瓣电平至关重要。

用量子级联激光器直接产生太赫兹辐射

利用电子技术进行上变频的一个替代方法是直接产生太赫兹辐射。这种方法采用量子级联激光器（QCL）和非线性光学（光参量处理）技术。QCL已经可以达到合理的功率水平，但效率仍然有限，而且通常它们必须在低温下运行。

为了应对这些挑战，使用超快光电二极管和光电导体从光频系统进行下变频是另一种日益受到关注的方法。下变频有望在广泛的频率范围进行调谐，在室温下工作，并有可能重新利用为光纤通信开发的成熟技术。尽管在效率方面有局限性，但功率范围正在不断扩大。

激光器中能够产生相干辐射是公认的，这导致了光通信与光纤技术相结合的应用。它的核心之处是能够成功将电流直接转换为相干光。对于光电子而言，直接带隙III-V族半导体材料GaAs和GaN是最重要的。

带间二极管激光器是一种廉价而有效的方法，可以产生跨越紫外线、可见光和红外频率的光子。然而，太赫兹光子的能量比可见光子低100到1000倍，而且没有任何材料具有如此小的带隙和粒子数反转。为了克服这些问题，激光发射是在QCL中利用半导体多量子阱异质结构的周期性堆叠中的子带间跃迁实现的，如图7所示。

图7 QCL中由半导体异质结构设计的子带间的激光跃迁。

阱深可以通过在制造过程中控制层深来进行设计。激光跃迁的波长取决于器件的物理结构。所谓的"电子波函数工程"允许产生带间二极管激光器无法获得的低能量太赫兹光子。一个电子可以产生多个光子，使这个过程非常高效。从一个阱到下一个阱的隧道是"量子级联"一词的来源。光以电子的形式发射，以"级联"多个量子阱形成超晶格的方式进行。

2002年，QCL在太赫兹频率下的成功运行被首次展示。⁵ QCL在频率覆盖范围、功率输出和工作温度方面取得了快速进展。通过精心设计量子阱，实现了波长短至2.75微米（109THz）和长至161微米（1.9THz）的激光发射。较长波长的设备仍然需要低温冷却，据观察在室温条件下目前至少可正常工作到16微米。

一种使用具有腔内非线性混频的长波长太赫兹QCL源的方法，使得生成低于1THz的频率源成为可能。随着最近的一个在-23℃下运行的设备的发布，太赫兹QCL向在室温下运行的目标又迈进了一步。这个温度在珀尔帖冷却器的范围内。

下变频方法：通过光混频实现从光波到太赫兹的转换

第三种方法是在光电频域生成太赫兹辐射，它使用单程载流子光电二极管或PIN光电二极管作为光混频器。这种用于产生太赫兹连续波的间接方法引起了人们强烈的兴趣。光电二极管可以通过光/红外激光在半导体或有机晶体中产生自由载流子的过程，有效地将光信号转换成电信号。光混频器周围的天线结构将振荡的光电流转化为太赫兹波，如图8中描述的光混频过程。

图8 产生太赫兹辐射的光混频过程。

光混频过程在两个略微失谐的单模激光器的拍频（ν_THz=ν₁-ν₂）上产生太赫兹辐射。获得极端频率和相位稳定性的一种方法是从一个光频率梳中得到这两个频率。对于数据传输，其中一个激光器由一个Mach-Zehnder调制器调制，该调制器由一个将光束分成两臂的干涉仪组成。在干涉仪的其中一个臂上，激光的相位通过一个电光调制器相对于另一个路径发生移动，从而在两束激光重新结合后形成相加或相减的调制激光束。拍频信号撞击光混频器的单行载流子光电二极管后，通过集成天线发出太赫兹辐射。

最先进的光混频器是基于砷化镓或InGaAs/InP的，需要激光波长低于半导体带隙（分别为0.8或1.5微米左右）。通过调谐激光器，拍频可以在广泛的频谱范围内变化，这直接转化为可广泛调谐的太赫兹辐射。这种技术也可开发成在光通信中产生光矢量场，然后将这些频率推到太赫兹频率。增加相应频点后，这些技术可更轻松地实现多频通信。这种组合还能使无线链路轻松地整合到光纤基础设施中。

片上通信和未来的高速器件互连通信将需要太赫兹波导。这可以用拓扑谷光子晶体来完成，它表现出接近零弯曲损耗和零背散射的优良特性。将两个频率参考到同一频率梳状发生器上后，可以将具有独特相位和频率稳定性的光梳以宽带和可调谐的方式变换到太赫兹频率。接收器可以是肖特基二极管或与发射器对称的装置。这也为测试仪器带来了希望，因为它可以按比例扩展到太赫兹的各个频段。

用于通信的太赫兹波：300GHz点对点传输

在实验室和户外进行了带有一个Tx天线和一个Rx天线的太赫兹数据传输试验。在200和300GHz之间，有一个大气损耗较低的传输窗口。与自由空间光链路相比，毫米波或太赫兹传输受雨雾等恶劣天气条件的影响要小很多。

图9显示了敦刻尔克港的成功试验结果。该试验涉及一条300GHz、850米的传输链路，具有极窄的波束。器件的频响性能可以通过晶圆键合在二极管下方的金属镜上进一步提高。在200和300GHz之间的太赫兹窗口进行100Gbps传输的进一步测试已经演示成功。⁶

图9 实验室中的300GHz数据传输（左）和室外试验（右）（来源：CNRS-里尔大学IEMN的G. Ducournau教授）

结论

测试领域的持续创新是实现未来6G的关键推动因素。这将需要学术界的深入研究，以及行业的创新发展。这项研究将继续协助太赫兹测试产品的设计，以提供解决方案和专业知识，为6G无线通信标准铺平道路。

参考文献

1. “Fundamentals of THz Technology for 6G,” Rohde & Schwarz, White Paper, September 2022 (Version 1.02).

2. M. Tonouchi, “Cutting-edge Terahertz Technology,” Nature Photonics, Vol. 1, February 2007, p. 97–105.

3. A. Rumiantsev, T. Naing Swe and A. Henkel, “Achieving Metrology-Level Accuracy When Making THz Measurements,” Microwave Journal, Vol. 59, Ed. 9, September 2016.

4. R. Stuhlfauth and H. Mellein, “Over-the-air RF Conformance Measurements on 5G NR Devices,” Rohde & Schwarz, White Paper, 2021.

5. R. Köhler, A. Tredicucci and F. Beltram et al., “Terahertz Semiconductor-heterostructure Laser,” Nature, Vol. 417, 2002, pp. 156–159.

6. V. K. Chinni et al., “Single-channel 100 Gbit/s Transmission using III–V UTC-PDs for Future IEEE 802.15.3d Wireless Links in the 300 GHz Band,” Electronics Letters, Vol. 54, 2018, pp. 638–640.