太赫茲位于紅外和微波之間，處于宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)的過渡階段。這段話大家都已耳熟能詳了。其實(shí)這是科學(xué)家們客氣的說法，楚河漢界之間自古是紅藍(lán)兩軍對壘之地自然少不了命令與征服的故事。太赫茲即是橋梁也是前沿陣地，過去由于技術(shù)發(fā)展水平受限兩軍炮火還飛不出邊境所以更惶論攻城拔寨。今天的太赫茲技術(shù)經(jīng)過十多年的發(fā)展，電子學(xué)和光子學(xué)兩軍早已劍拔弩張、蓄勢待發(fā)（希望可以攻出個(gè)諾獎(jiǎng)來）。

2016年10月初歐洲太赫茲電子學(xué)領(lǐng)域科研大牌CHALMERS大學(xué)采用美國VDI公司和KEYSIGHT公司的解決方案搭建了全世界首套1.5THz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（動(dòng)態(tài)范圍40-80dB，輸出功率典型值<1uW如圖1）。

圖1、1.5THz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀動(dòng)態(tài)范圍（圖片來自http://www.vadiodes.com）

這個(gè)消息即代表了太赫茲電子學(xué)從防守轉(zhuǎn)向進(jìn)攻邁出的一小步，但更是歐洲太赫茲電子學(xué)的無奈。

話雖如此，歐洲電子學(xué)其實(shí)并不丟人，畢竟幾家大牌的實(shí)驗(yàn)室（盧瑟福、IAF等等）還有點(diǎn)存貨（俄羅斯的真空電子學(xué)也是獨(dú)步天下），而且剩下的兩個(gè)伙伴日本和中國在太赫茲電子學(xué)領(lǐng)域大哥不說二哥，大家都眼睜睜看著美國一騎快馬絕塵而去。為首的JPL早在2004年發(fā)射的AURA衛(wèi)星就搭載了JPL 118, 190, 240, and 640 GHz and2.5 THz輻射計(jì)送見下圖2，后面跟著MIT、Northrop、Grumman, VDI,HRL等大小公司也好不得意。

圖2、2004年7月發(fā)射的AURA衛(wèi)星搭載的毫米波及太赫茲輻射計(jì)（圖片來自JPL）

知恥而后勇，眼看美國的快馬漸行漸遠(yuǎn)。憑借通信領(lǐng)域深厚的技術(shù)功底日本NTT公司很快拿出了從器件到系統(tǒng)的解決方案。

圖3、NTT 120GHz點(diǎn)對點(diǎn)通訊系統(tǒng)以及發(fā)射端結(jié)構(gòu)（圖片來自http://www.ntt.co.jp）

這套方案讓日本成了商業(yè)化太赫茲通信系統(tǒng)的鼻祖，可是這套通信系統(tǒng)收發(fā)前端以InP HEMT（最高工作頻率350GHz）為基礎(chǔ)，NTT發(fā)現(xiàn)頻率再往高舉步維艱、力有不逮。所以很快在光子學(xué)中另辟蹊徑推出了UTC-PD技術(shù)，并為其設(shè)計(jì)了一系列應(yīng)用場景（如下圖4），未來的大容量太赫茲通信系統(tǒng)和太赫茲超寬帶測試系統(tǒng)就指著它了。今年松下公司和廣島大學(xué)已宣布正在研發(fā)工作在300GHz通訊速率達(dá)100Gbps的點(diǎn)對點(diǎn)通訊系統(tǒng)并將在東京奧運(yùn)會(huì)實(shí)現(xiàn)商用。

圖4、UTC-PD技術(shù)的應(yīng)用場景以及芯片結(jié)構(gòu)（圖片來自http://www.ntt.co.jp）

UTC-PD技術(shù)吹響了太赫茲光子學(xué)進(jìn)攻的沖鋒號(hào)，歐洲這邊法國IEMN和德國HHI也緊追不舍。2014年前后歐洲HHI研究所也推出基于LT-GaAs材料的太赫茲光混頻器，德國Toptica，Sarcher、美國光通信器件公司EMCORE紛紛順勢推出太赫茲頻域光譜系統(tǒng)FDS。該系統(tǒng)頻率覆蓋0.1-2THz，頻率分辨率可以到MHz，動(dòng)態(tài)范圍典型值80dB，低于10萬美金的成本。從指標(biāo)上看儼然是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀（電子學(xué)測試測量金字塔頂端）的終結(jié)者。NTT公司更計(jì)劃推出從毫米波到太赫茲全頻段覆蓋的發(fā)射源以及寬帶接收機(jī)，最終目標(biāo)當(dāng)然劍指太赫茲超寬帶通信系統(tǒng)。早期發(fā)射源性能指標(biāo)大致如下：

圖5、NTT 0.1-4THz寬帶太赫茲源（圖片來自http://www.ntt.co.jp）

歐洲和日本似乎用光子學(xué)技術(shù)給困惑已久的太赫茲點(diǎn)燃了一盞明燈，擋在他們前面的唯一困難是輸出功率。如果功率能夠提升一兩個(gè)數(shù)量級(jí)，橫跨光子學(xué)電子學(xué)的大殺器就橫空出世了，實(shí)用化的太赫茲通信，測試、成像系統(tǒng)都指日可待。

可是直到今天功率仍然是太赫茲光子學(xué)前進(jìn)道路上一道無法逾越的鴻溝，UTC-PD輸出功率至少落后固態(tài)電子學(xué)1到2個(gè)數(shù)量級(jí)（目前最高水平300GHz/1mW），無論是太赫茲通信還是測試系統(tǒng)這點(diǎn)功率實(shí)在是太寒磣了，NTT和HHI也一時(shí)沒有新的材料和工藝拿的出手，只好偃旗息鼓苦練內(nèi)功去了（SiGe photodiodes是下一個(gè)研究熱點(diǎn)）。跟著的一眾公司眼看短期內(nèi)無利可圖只能賣的賣，停的停。

光子學(xué)的進(jìn)展并不局限于此，太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)TDS經(jīng)過近10年發(fā)展也多少有點(diǎn)氣候了，去年德國MENLO為首的幾家專長于飛秒激光器公司（相比之下早期的TDS廠商只是把零件攢在一起，在外圍修修補(bǔ)補(bǔ)而已）推出異步光學(xué)采樣TDS系統(tǒng)讓大家以前一亮，頻率分辨率<1GHz,采樣速度每秒1000個(gè)波形。他們從飛秒激光器入手只用幾招就化解了傳統(tǒng)TDS面臨的危機(jī)（速度慢，分辨率低，體積龐大等等）。而在此之前科學(xué)家們還將太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)TDS用于芯片片上測試（共面波導(dǎo)缺陷檢測）、雷達(dá)反射截面緊縮場測試(CATR，見下圖4)等電子學(xué)測試測量的傳統(tǒng)陣地。隨著異步系統(tǒng)以及TDS功率合成技術(shù)的成熟，在太赫茲成像和測試領(lǐng)域太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)TDS遲早會(huì)吹響光子學(xué)進(jìn)攻的號(hào)角。

圖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

其實(shí)放眼望去，近年來激光雷達(dá)、激光通信、光鐘以及光頻梳等等無不一點(diǎn)一點(diǎn)在擠壓著傳統(tǒng)電子學(xué)的地盤。電子學(xué)會(huì)地盤拱手相讓嗎？讓我們拭目以待吧。

作者：美克銳科技 張宇