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固态太赫兹技术的研究
Mark Lee and Michael C. Wanke
在设备制造方面的进展，正在促进太赫兹电磁辐射的产生和探测。
频率大约为太赫兹(太赫兹=每秒振动1012次)的波段在电磁波谱中就像被忽视的孩子。由于高技术性能和批量生产的固态微电子的组合，微波(lt; 0.1太赫兹)和红外辐射(gt; 20太赫兹)被广泛应用。夹在两者中间，太赫兹光谱在固态设备中尚未成熟广泛应用。最新的研究进展给了我们希望，然而，一个可行的太赫兹技术支持快速运作的应用如传感器、高度专一的化学检测和生物和医学成像的新模式。
微波电子最终在更高的频率失败，因为基本的电子速度的限制，导致晶体管性能在~ 0.1太赫兹以上衰减迅速。在光谱的另一端，红外光子不能扩展到小于20太赫兹的频率。有悖常理的是，太赫兹辐射在大气传输中的衰减也强于微波或红外，导致太赫兹技术在信噪比性能上更为严格的要求。
然而，在技术上开发一个实用的经济上可行的太赫兹设备的动力从来没有比现在更强。就像Borak(1)的评论，太赫兹辐射与各种形式的物质相互作用的特征会导致新的应用。全世界的实验室里所进行得概念验证演示展示了太赫兹在高效精密危险化学传感、暗器检测、非侵入性医疗和生物诊断和高速通信中如何使用。为了让这种太赫兹技术走出实验室，需要将太赫兹微电子技术基础提高到与微波电子和红外光子一样的水平。
一般的太赫兹应用需要两个主要组件:一个连贯的太赫兹源和太赫兹探测器。这太赫兹源/探测器组合必须提供足够的信噪比和高效的性能检测，对于在“实时”速率下(100 Hz ~1 kHz)，在大气中传播的一个信号。因此，固态太赫兹源和探测器设备研究主要目的增加平均源功率和减少探测器噪声。
固态太赫兹探测器设备在许多方面已经被证明是完全可行的。因为，如果仪器仅仅需要在液氦温度（~4K）下工作，很多超导体探测器和半导体探测器都已经被研发出来，能够满足研究需要，然而，在实验室外，冷却至这么低的温度几乎是不可能的。因为这个原因，研究者们热衷于开发工作温度接近室温的太赫兹探测器。
厚泡沫正面 使用2。9THz QCL看到的透视图 泡沫后面真正物体的图像
尖端成像：在其他应用中，太赫兹成像技术可用于探测隐藏的武器；(左)泡沫正面；(中)隐藏的刀片在2。7THz的量子级联激光器下的图像；(右)泡沫与隐藏物的后面。
例如，当前高电子迁移率晶体管，已经可以通过集体电荷密度振荡（等离激元）规避电子运动速度的限制，而不是将单个电子作为电荷的载体。等离子体在一个半导体通道的波速可以高达10倍电子速度，类似于波浪比波浪中水分子的运动快得多。在室温下，太赫兹响应最近在在亚微米通道长度设备和在毫米级设备(2、3)中的液氮温度(77 K)各种形式的等离子晶体管被观察到。
在另一个例子，美国宇航局喷气推进实验室现代纳米方法应用于一个典型的微波设备，金属半导体接触肖特基二极管，制造出至少3太赫兹(4)的混频器(可以用来在参考频率内测量功率谱)。这些在环境温度下运行的接收器，已经在可能的设备中将噪音降低足够低，而且在美国宇航局的绕地飞行的卫星上充分证明。这些设备的主要缺点是让太赫兹源发挥作用需要5到10 mW的功率。
这个毫瓦的功率需求是太赫兹固态技术问题的核心问题。现实太赫兹源功率，如果需要提供可接受的信噪比率，在可控外研究环境下，估计功率需要达到几十毫瓦。然而直到2002年，唯一的平均功率大于1 mW的相干太赫兹振荡器是真空管或加速源，如体积庞大，条件苛刻，昂贵的分子气体激光器和返波振荡器。
太赫兹固态源技术取得革命性的进步是在2002年科勒等人声称成功操作的量子级联激光器(QCL)太赫兹频率(5)。QCL通过使用先进的半导体异质结构工程和制造方法来创建合成电子能源缺口频率远小于平常频率在光子设备中躲避半导体带隙限制。自2002年以来，太赫兹量子层叠激光器在允许频率范围内发展迅速，增加了输出功率，提高操作温度。目前，他们是唯一的固态源，可以产生大于 10mu;W的高于1太赫兹的相干平均功率，连续波功率与创纪录的138 mW 约4。4太赫兹和接近10 K(6、7)操作温度。量子级联激光器的输出功率随着温度的增加下降， 但是即使在液氮的冷却范围内，也能达到mW级别的输出。在高达164K的温度下也能达到半mW的输出。迄今为止太赫兹量子级联激光器已经跨越了1.5和4.5太赫兹之间的频率范围。
目前的固态太赫兹源不能完全满足几毫瓦的平均功率阈值但可能存在其他有用的特性。采用高能微波源的倍频器（一个在室温下工作的、很成熟的技术），可以很容易地调整范围约在0.1到1太赫兹的宽频率。。然而，对于高频倍频器的固有变换损耗，以及制造高功率输入设备的困难，使得倍频器的输出能量随着频率的增大迅速下降，因此在1THz附近只产生了10uW的输出(8)。同样，通过在室温下混合俩个固态近红外激光半导体激光器，可以获得较低的频率产生非常广泛的调频区域（达到数个太赫兹），但目前暂时只能做到mW一下的输出（在1THz以上）。最近，一个峰值功率为100 W的脉冲信号被报导，它产生于一个P型掺杂的Ge激光器中，微波频率接近2.7太赫兹激。然而不幸的是p-Ge激光器需要大型磁场，以及低于15 K的工作温度，还要忍受其非常低的工作周期(10)。
目前在固态太赫兹技术方面的研究强调个别组件开发。目前的重点，是提高检测器灵敏度、源动力、微电子材料的操作温度和最终适合大规模的生产的方法。如果THz技术按照现有节奏发展，这部分的频谱将和今日微波和红外频段一样有用。
引用和注释：
1. A. Borak, Science 308, 638 (2005).
2. E. A. Shaner et al., IEEE Photonics Tech. Lett. 18, 1925 (2006).
3. R. Tauk et al., Appl. Phys. Lett. 89, 253511 (2006).
4. P. H. Siegel et al., IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 47,596 (1999).
5. R. Kouml;hler et al., Nature 417, 156 (2002).
6. B. S. Williams et al., Elec. Lett. 42, 89 (2006).
7. B. S. Williams et al., Optics Express, 13, 3111 (2005).
8. See, for example, www.virginiadiodes.com/multipliers.htm.
9. J. E. Bjarnason et al., Appl. Phys. Lett. 85, 3983 (2004).
10. R. E. Peale et al., J. Nanoelectron. Optoelectron. 2, 1 (2007).
11. Sandia is operated by Sandia Corporation, a Lockheed Martin Company, for the U.S. Department of Energyrsquo;s National Nuclear Security Administration under contract DE-AC04-94AL85000.
10.1126/science.1141012
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