（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

大功率半导体太赫兹源的应用

在不断发展的技术领域，人们对能够应对安全、通信和成像领域现代挑战的创新解决方案的需求达到了前所未有的水平。随着各行各业都在寻求能够提高效率、安全性和可扩展性的解决方案，太赫兹（THz）频段已成为一种可行的选择。太赫兹频段介于微波和红外频谱之间，其特性可推动多个领域的发展。图1显示了太赫兹频段及其在电磁波谱中的位置，以及一些常用的应用。

太赫兹波具有穿透各种材料的能力、非电离特性和高分辨率成像等特点，为改变各行业解决复杂问题的方式提供了机会。太赫兹技术的应用领域非常广泛，从实时安检到下一代无线通信和先进医疗诊断。本文将探讨佳能开发的太赫兹源技术，以及这一基础技术在各行各业的应用和广泛影响。文章还将强调与太赫兹技术商业化相关的挑战和机遇，并深入探讨其未来发展轨迹和影响。佳能正在与全球技术探索和创新公司yet2合作，将这项技术商业化。

太赫兹波技术

太赫兹辐射跨越电磁波谱中0.1至10THz的频率。这一频段正吸引着大量的开发活动，因为它具有有利于多种应用的特性。

太赫兹波的主要特征

非电离性：与X射线不同，太赫兹辐射是非电离性的。这使得太赫兹波在医疗成像和安全扫描等涉及人机交互的应用中更加安全。

材料穿透性：太赫兹波可以穿透织物、纸张和某些塑料等材料。在安检等应用中，这种能力是一项重要的差异化优势，因为在这些应用中，无创检测隐藏物品至关重要。此外，太赫兹波还能被水和其他液体吸收，从而实现对物质的精确识别。

频谱指纹：太赫兹波与材料的相互作用会产生独特的吸收和反射模式，即频谱指纹。这些图案能够在分子水平上识别和区分材料，使太赫兹波在化学分析和质量控制方面的应用变得非常有价值。

波长和分辨率：太赫兹波的波长比毫米波短，但比红外线长，因此能在两者之间取得平衡，提供更高分辨率的成像能力。这一特性在需要详细可视化的应用中特别有用，例如无损检测和医疗诊断。

太赫兹波之所以能够与多种材料相互作用，是因为它在电磁波谱中处于中间位置。太赫兹波会被金属表面反射，从而可以在安防环境中识别金属物体。太赫兹辐射被水高度吸收，也有助于安防应用。这使得液态物质的检测成为可能，这对于识别危险液体至关重要。太赫兹波与粉末作用时会发生散射，为分析颗粒材料的成分提供了一种非侵入性的方法。

与相邻的毫米波和红外波段相比，太赫兹波具有独特的综合优势。尽管毫米波频率和设备被广泛应用于安全扫描仪，但太赫兹频率和设备能提供更高的分辨率。此外，毫米波频率在某些材料中没有太赫兹波的穿透能力。红外辐射可提供高分辨率成像，但在特定环境中，尤其是高湿度环境中，容易发生散射和吸收。因此，太赫兹波在这些和其他应用中具有更大的通用性。

新兴科学研究

目前正在对太赫兹频谱及其各种应用可能性进行大量研究。科学家们正在探索先进的方法，以增强太赫兹辐射的产生和探测。一些较为突出的探索领域包括：

量子级联激光器：这些设备可为便携式应用生成高效、紧凑的太赫兹波。

等离子体学：该领域涉及在纳米级尺寸的金属/电介质界面上产生、探测和操纵电磁波。目前正在研究利用表面等离子体共振改善太赫兹波与材料的相互作用，以提高传感器的灵敏度。

超材料：目前正在研究超材料的各种应用。在太赫兹频率范围内，正在开发能以新颖方式操纵太赫兹波的工程结构，目的是实现隐形和超高分辨率成像等应用。

太赫兹信号科学与正在进行的研究相互交织。这些领域凸显了该技术的现有能力，并强调了未来创新的潜力。随着研究的深入，太赫兹技术的应用范围将不断扩大，推动多个领域的进步。

太赫兹源的开发

为了帮助将太赫兹波的潜力转化为现实，佳能推出了图2所示的基于半导体的太赫兹源。该太赫兹源采用有源阵列天线结构，使用磷化铟（InP）制造的谐振隧道二极管（RTD）。InP与砷化镓（GaAs）一样，是一种III-V族化合物半导体材料。砷化镓一直是毫米波应用的主流技术，而InP具有更高的电子迁移率和更宽的带隙，使该技术对更高频率应用越来越有吸引力。InP还是一种直接带隙材料，可实现更高效的电磁波发射和吸收。直接带隙使这种材料与光学元件兼容，适合集成到光学网络中。

佳能开发的基于InP的高电子迁移率热电阻的工作频率为0.45THz，无需使用倍频器。这就消除了笨重的高功耗元件，从而减小了最终组件的整体尺寸和功耗。该源在0.45THz下可提供11.8mW的功率，功率效率是传统RTD的1.4倍。它的指向性为13度，半导体芯片的尺寸为3.2mm²。图3显示了基于InP的源与竞争解决方案相比所实现的尺寸缩减。佳能相信，这种半导体太赫兹源的性能和尺寸使其适合集成到广泛的应用中。这些应用包括在安防系统中实现手持式近实时成像，在6G通信中支持Tbps的数据速率，以及大量其他可能的应用。

佳能太赫兹源的推出为学术研究和商业应用之间架起了一座桥梁。这种太赫兹源满足了现有的市场需求，并为未来在安全协议、可持续制造和通信基础设施等领域的创新铺平了道路。该太赫兹源结构紧凑、效益高，是各种行业的理想解决方案。

InP RTD具有超快的开关速度，因此在高频应用中越来越受青睐。热电阻器件的基准数据可对峰谷电流比、工作频率和材料效率等关键性能参数进行比较分析。这种基准测试有助于研究人员和工程师评估设计改进、优化器件性能，并确定热电阻在哪些方面可以超越传统半导体元件。随着热电阻技术的进步和发展，这些性能基准将促进未来的创新。

太赫兹源的最终配置利用了InP RTD器件技术，并将其封装为有源阵列天线结构。阵列配置设计是优化现代电子和通信系统性能的关键环节。正如在一篇IEEE论文中强调的那样，¹ 阵列的构建涉及到多种因素的平衡，包括元件位置、信号完整性和干扰最小化。设计人员必须考虑尺寸、效率和成本之间的权衡，同时确保阵列满足特定的应用要求。先进的仿真技术和计算模型有助于应对这些挑战，从而开发出符合行业需求的高性能阵列。

天线结构由单个芯片上的36个有源天线同步阵列组成。与现有的半导体太赫兹源相比，这种结构的输出功率提高了约10倍，指向性提高了20倍。这些进步使太赫兹发射距离超过数米。与竞争技术的60度发射角相比，13度指向性有了显著改善。这种发射角无需外部透镜或喇叭天线。

开发半导体太赫兹源只是难题的一部分。要确保半导体器件的长期可靠性并保持其性能，需要高性能、坚固耐用的封装，以保护元件免受环境压力和热降解的影响。佳能与京瓷合作开发了图2所示的封装。由于最终封装包含36个有源天线，散热成为首要问题。由于担心散热问题，有机FR-4材料不在考虑范围之内。相反，京瓷提出了氮化铝(AlN)解决方案，因为这种材料具有高导热性，而且与InP的热膨胀系数非常匹配。

另一个主要的封装考虑因素是有源天线阵列的互连方案。在这些频率下，互连器件的阻抗和电感都很明显。京瓷提出的氮化铝封装技术提供了更大的设计灵活性，可最大限度地减少封装造成的性能下降。最终的封装减轻了散热、电气干扰和机械应力方面的问题，以较小的尺寸提供了高性能、高可靠性的解决方案。

应用和市场需求

安全检查

现有的基于毫米波的安全扫描仪体积庞大，需要个人保持静止不动。这限制了系统的吞吐量和便携性。太赫兹波具有更高的分辨率、安全性和效率，并具有以下潜力：

l 可穿透织物、纸张和某些塑料等材料

l 识别液体、粉末和隐蔽物体，避免X射线的辐射风险

l 在小巧的设备中实现近乎实时的成像，有可能减少机场和火车站等人流密集区域的安全瓶颈。

此外，太赫兹波能够区分不同的物质，因此可以在不打开容器的情况下识别危险液体，从而增加了一层安全性和便利性。通过减少扫描设备的占地面积，这项技术还可以部署在移动设备中。佳能开发的原型扫描仪的吞吐能力具有显著优势。这种扫描仪每小时能够处理大约1000人。有了这样的处理能力，该系统就能极大地改善举办大型活动的场所或交通枢纽的安检工作。图4显示了采用各种技术的人体扫描仪的性能特征，从X射线到毫米波扫描仪，再到采用本文所述的有源太赫兹扫描仪。图5显示了未来安防的构想，即采用太赫兹扫描仪的安防系统。

6G通信及其他

尽管很多挑战，但人们对太赫兹频率仍有浓厚的兴趣，开发活动也十分活跃。该频段的可用带宽可缓解下一代无线通信中频谱稀缺的挑战。太赫兹带宽将为Tbps数据速率提供支持，使更广泛的数据密集型应用成为可能。

在通信系统中部署太赫兹技术有助于彻底改变自动驾驶汽车等领域，实现设备之间的无缝高速数据交换，并支持大规模物联网。由于当前的5G系统工作频率高达60GHz，利用亚THz和太赫兹频段可以实现未来通信基础设施所需的飞跃。

其他应用

安全和通信应用似乎完全可以利用太赫兹技术和系统，但许多其他应用也有可能从中受益。在无物理接触的情况下对材料和结构进行高分辨率检测可为无损检测带来益处。太赫兹波带来的更高精度有助于加快先进雷达应用的进一步发展。高分辨率还可以帮助医疗成像诊断应用，实现癌症的早期检测或详细的水合分析。太赫兹成像在农业监测方面也很重要。这种成像技术可以评估植物健康状况并检测污染物，从而帮助提高食物链的效率和食品安全。

挑战与机遇

本文介绍的基于InP的太赫兹源显示出卓越的性能和广阔的前景，但目前还在开展其他工作，以提高该解决方案的吸引力。为了提高性能，研发工作的目标是提高源的分辨率，以便在更广泛的应用中使用。目前正在努力可靠地扩大InP基半导体的生产规模，以降低成本和提高产量。为了提高采用率，正在解决符合无线电波和国际出口管制的监管要求。

为应对这些挑战，对材料科学和先进制造技术的投资有助于提高设备效率和可扩展性。同时，与学术机构和行业领导者的合作可加快先进太赫兹探测器和数据处理系统等互补技术、设备和功能的开发。新兴研究领域包括整合人工智能来实时解读太赫兹成像数据，从而提高在安全和医疗诊断方面的应用。表1列出了佳能公司用于推动太赫兹技术发展的专利清单。

结论

市场分析师预测，在电信、医疗诊断和工业检测需求的推动下，太赫兹技术和系统将快速增长。本文介绍的佳能的基于InP的高功率太赫兹源是技术领域的重大进步。它体积小巧，可集成到便携式设备中。其性能允许在10米距离内实现1毫米的分辨率，而采用集成电路工艺的制造则显示了随着InP规模的扩大而降低制造和运营成本的路线图。

佳能开发并测试了用于人体扫描的太赫兹有源相机原型。该系统的扫描吞吐量约为每小时1000人，与毫米波扫描仪相当。该系统的设计和制造能够以更低的成本实现更高的分辨率。佳能开发项目的特点和优势使微型系统可以集成到更大批量的商业应用中，如用于实时、便携式安全扫描的人体摄影机。为了帮助实现更安全、更快速、更高效的成像、通信和安防系统的未来愿景，佳能与yet2合作，授权并商业化这项技术，使这一愿景成为现实。

参考文献

见： www.microwavejournal.com/articles/43641

图1：电磁波频谱。来源：佳能

图2：佳能太赫兹源。来源：佳能

图3：集成太赫兹源的尺寸缩小。来源：佳能

图4：各种扫描技术的主要性能指标。资料来源：佳能

图5：太赫兹扫描仪用于未来安防。来源：佳能