太赫兹波之相位控制移往芯片上

太赫兹（Terahertz , THz）辐射，通常称为T波，在微波和红外波段之间的电磁频谱中占据独特的位置。随着频率范围从0.1到10 THz，T波在无线电天文学（radio astronomy）和太空科学（space science）中一直是很重要的。然而，随着检测器发展的进步，最重要的是太赫兹辐射源在光谱学、材料特性检测、遥测和诊断、成像和断层扫描[1]等应用上，促进了在研究实验室和工业中对于使用T波的更广泛兴趣；特别是对于生命科学和医学方面，T波有很大的希望，因为许多生物之重要大分子的集体振动是发生在太赫兹频率的范围[2]。此外，太赫兹频率范围被考虑作为下一代高速数据运行的短距离无线系统，并可以与光纤通讯系统衔接 [3]。

然而，因为缺乏用于动态控制和调制T波的高效率和紧凑组件，THz技术的发展及其采用一直受到阻碍，这一功能仍然是一个关键挑战[3]。困难主要是因为T波与天然非金属材料的交互作用很弱，除了最值得注意的掺杂半导体和极性液体（像是水），而它们仅仅是被吸收。

目前采用的主流解决方案之一是提升T波与物质间的相互作用，特别是透过利用人工工程材料，所谓的超颖材料（metamaterial）[4]的电磁共振。这种方法已经能够演示基于主动超颖材料的组件，例如用于T波在自由空间中作为准直或聚焦光束传播的开关和调制器，（例如参考文献[5]-[7]）。 然而，迄今为止，这类设计还不能轻易缩小到在太赫兹通信中的芯片级生物医学传感器和数据处理系统[3]，其所设想之积体化太赫兹组件的尺寸，更别提新兴太赫兹电子产品所需的微型化程度了。

现在Nature Photonics中报导了，Hongxin Zeng及其团队设计并透过实验验证了太赫兹电路的一个重要组件—芯片上的一种紧凑型高精度电子移相器（phase shifter），它能够对T波进行可变量位编码相位调制[9]。所演示的相位编码芯片的其它显著特点是它实际上不会影响T波的振幅。此外，它展现出低传输损耗（不同于以前利用共振相互作用的解决方案）。

相位编码芯片（如图一）是基于传统微带波导，其中一侧透过微制造的平面电容器连接到一系列沿波导等距分布的六个相同的短金属贴片。在大约 0.3 THz 的频率下，由此产生的微结构（在微波工程中称为短截线（stub））作为微型电磁谐振器，每个谐振器都会局部改变波导的阻抗，因此影响引导T波的传播。它们代表了太赫兹频率范围，等效于电子学中常见的LC谐振电路，而LC谐振电路在如此高的频率下是不可能实现的。由于短截线的谐振是来自驻波的激发，因此可以透过改变短截线的有效电长度来改变谐振的频谱位置（以及它在特定频率造成的振幅变化）。作者透过使短截线中的微电容器可藉由各自的短截线单独提供的控制信号，进行数字切换来实现这一点。结果，他们能够将任何给定短截线的共振进行蓝移高达20%。

 

图一、太赫兹移相芯片的原理图，及其如何将数字编码相位调制传递给沿中心波导传播的T 波。相移是通过沿波导上侧放置的短截线引入的，并充当由具有二维电子气(2D electron gas, 2DEG)的微电容器控制的微小太赫兹谐振器。

AlGaN/GaN的异质接面（跨越他们的间隙）整合至微电容器的结构是实现大的频谱偏移的关键。已知一个AlGaN/GaN的异质接面会自行产生二维电子气(2D electron gas, 2DEG)，两种材料之间的界面处捕获的单层密集电子[10]。2DEG中的电子可以沿着表面自由移动，有效地形成了一个导电片，它几乎完全连接了从一块平板延伸到另一块平板的制造微电容器中的间隙（见图一）。透过间隙施加偏压，可以使2DEG更进一步远离平板之一，从而降低结构中的电容。作者发现将偏压从0 V（状态“1”）切换到 7 V（状态“0”）后电容降低了十倍以上。

为避免T波的振幅变化，会伴随着电子控制的谐振短截线引起的相位变化，Hongxin Zeng及其团队选择在频率范围为0.26–0.27太赫兹、非谐振的状态运行他们的芯片。 这种技巧使他们能够将芯片的整体传输维持在相对较高的水平（–6到–8 dB，取决于频率），波动仅限于0.5 dB。尽管在此频率范围内透过任何单个短截线获得的相移自然小于谐振时（低于10度），但它会随着导波从一个短截线传播到另一个短截线而累积，并可能高达55度。重要的是，短截线单独施加的相移不会仅仅由于后者之间的相互作用而累加，这使得许多（其它等效的）开关组合显得独一无二。例如，输入代码 100001、010010和001100给芯片将产生不同的相移。为了完全解除简并态（degeneracy），Hongxin Zeng及其团队使用了另一个技巧—将控制信号的接地电极作为额外的“无源”短截线引入，他们将其放置在微带的另一侧，更靠近其末端（图一）。微带产生的结构不平衡能确保所有控制短截线，即使单独切换，对引导 T波也有独特的影响—即代码 100000、010000、001000、000100、000010、000001 将编程不同的相移。上述所有代码1的状态将对应至不同的输出。

实施的方法效果很好，使作者能够以数字方式控制 T 波的相位，并且将它以2-5度（取决于操作频率）的小恒定增量偏移，平均误差仅有0.36度。假设一个基于2DEG 的微电容器的开关时间非常短为100 fs，相位编码芯片的调制速率可能高达 3 Gbps，正如最近的一项研究表明的那样[11]。这种高速结合小尺寸芯片（主动区面积为2.3×0.3 mm²）及其“数字化就绪”，使得演示的移相器作为未来积体化太赫兹系统的主动组件特别地有吸引力。

然而，它的实际使用可能仍会被一些留着的问题延迟。特别像是移相器的操作本质上是窄带的，因为它（虽然不是直接）依赖谐振，因此最小以及总可达到的相移两者都取决于工作频率。预计芯片的传输损耗与活性短截线的数量成比例增加，这会限制所提出的相位调制方案的扩展性，实际上，目前展示最大相移30-55度是可能的最佳输出。最后，目前已经针对太赫兹频带的低频边缘演示了芯片上主动式的相位控制，同时对于在1太赫兹及以上的频率振荡的T波，是否能实现相同的工作原理还有待观察。