图为美国普林斯顿大学研发的接收THz信号用微芯片

太赫兹波在无损探伤、通信、药物研发等领域具有巨大应用前景。但是多年来，收发太赫兹波的设备昂贵且复杂。

日前，美国普林斯顿大学的研究人员显著缩小了太赫兹波收发设备的体积，从带有激光和光镜的笔记本大小到小到可放在指尖的一对微芯片。第一块微芯片用来产生太赫兹波，第二块微芯片用来捕获和读取这些波的复杂细节。这些芯片使用硅工艺制造， 因此在大规模制造时只需花费几个美金。

技术突破

研究人员表示，将太赫兹器件缩小到芯片尺寸的关键是重新设想天线功能。当太赫兹波与芯片内部的金属结构交互时，他们产生了一个复杂的电磁场分布，并因入射信 号的不同而不同。通常，这些微弱的磁场被忽略，但研究人员认识到他们能够读取这些类型，并作为识别电磁波的一种签名。整个过程可由能读取太赫兹波的微芯片内的小器件来完成。

研究人员表示：“不是直接读取电磁波，我们翻译由电磁波产生的类型，这类似于通过雨点在池塘中产生的波纹来寻找雨点的类型。”

发射

发射部分的挑战主要是产生处于太赫兹波段的多个波长信号，尤其是在微芯片中。研究人员首先在芯片中产生了多个波长信号。然后使用精确定时来将这些波长组合以 产生非常尖锐的太赫兹脉冲，即采用丰富谐波器件和中继通过受控的多行波干扰实现信号合成。一个芯片产生460um一连串2.6ps脉冲，第二个是一个带有 天线的四元素阵列，以4.6dBm有效全向辐射功率（EIRP）在107.5GHz频率发出2.6ps脉冲。215GHz第二谐波在5.0dBm。据论文 所述，“该论文展示了在现有集成电路技术中带有动态波形调节的最尖锐的片上和辐射脉冲。”

接收

在第二篇论文中提出了一个新方法来抽取辐射THz信号的频谱信息，来支持一个硅基全集成宽带THz分光镜。论文写到了一个在2.6×1.9mm 0.13μm SiGe BICMOS芯片上的宽带THz分光镜。前端天线与入射信号反应来提取频谱信息，很多传感器测量近场亚波长，不再需要一个宽带THz本地和辅助器件的需求。

据论文所述：中心前提是入射THz信号激发天线表面的一个频谱相关的电流分布。该工作代表了一个方法，根据在芯片天线上电流分布来测量并评估入射频谱。

从40到330GHz的频谱被分析，通过利用集成探测器的可变非线性提取时域信息。通过将传统单端天线修改为一个2D多端散射器，该论文展示了一个无需合成器的THz分光镜。

意义

美国布朗大学工程学专家、国际红外毫米波和太赫兹波协会副主席Daniel Mittleman表示，此次研究是一个非常具有创新性的工作，他具有很多潜在影响。在太赫兹波段走入日常生活之前还有很多工作要做，但研发成果具有前景。

下一步工作

研究人员表示将继续沿着THz频段拓展工作。“现在我们正在THz频段中较低的部分。你能采用数十万只工作在太赫兹频段的晶体管做什么？只要从基础原理上重新想象这些复杂的电磁交互，我们能够产生改变游戏规则的新技术。”

其他信息

此项研究部分资金支持来源于国家科学基金会（NSF）的电子、通信和网络空间部。针对两个微芯片研究成果，研究团队撰写了两篇论文，均发表在IEEE固态电路杂志。

文章链接：

1, Xue Wu,Kaushik Sengupta, "On-Chip THz Spectroscope Exploiting Electromagnetic Scattering With Multi-Port Antenna," IEEE Journal of Solid State Circuits, Volume: 51 Issue: 12

2,Xue Wu,Kaushik Sengupta, "Dynamic Waveform Shaping With Picosecond Time Widths," IEEE Journal of Solid State Circuits, Volume: 51 Issue: 2

（本文来源：大国重器——聚焦世界军用电子元器件，ID：ElectronicComponent；）

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