太赫兹波之相位控制移往晶片上

太赫茲（Terahertz , THz）輻射，通常稱為T波，在微波和紅外波段之間的電磁頻譜中佔據獨特的位置。隨著頻率範圍從0.1到10 THz，T波在無線電天文學（radio astronomy）和太空科學（space science）中一直是很重要的。然而，隨著檢測器發展的進步，最重要的是太赫茲輻射源在光譜學、材料特性檢測、遙測和診斷、成像和斷層掃描[1]等應用上，促進了在研究實驗室和工業中對於使用T波的更廣泛興趣；特別是對於生命科學和醫學方面，T波有很大的希望，因為許多生物之重要大分子的集體振動是發生在太赫茲頻率的範圍[2]。此外，太赫茲頻率範圍被考慮作為下一代高速數據運行的短距離無線系統，並可以與光纖通訊系統銜接 [3]。

然而，因為缺乏用於動態控制和調制T波的高效率和緊湊元件，THz技術的發展及其採用一直受到阻礙，這一功能仍然是一個關鍵挑戰[3]。困難主要是因為T波與天然非金屬材料的交互作用很弱，除了最值得注意的摻雜半導體和極性液體（像是水），而它們僅僅是被吸收。

目前採用的主流解決方案之一是提升T波與物質間的相互作用，特別是透過利用人工工程材料，所謂的超穎材料（metamaterial）[4]的電磁共振。這種方法已經能夠演示基於主動超穎材料的元件，例如用於T波在自由空間中作為準直或聚焦光束傳播的開關和調制器，（例如參考文獻[5]-[7]）。 然而，迄今為止，這類設計還不能輕易縮小到在太赫茲通信中的晶片級生物醫學感測器和數據處理系統[3]，其所設想之積體化太赫茲元件的尺寸，更別提新興太赫茲電子產品所需的微型化程度了。

現在Nature Photonics中報導了，Hongxin Zeng及其團隊設計並透過實驗驗證了太赫茲電路的一個重要元件—晶片上的一種緊湊型高精度電子移相器（phase shifter），它能夠對T波進行可變數位編碼相位調制[9]。所演示的相位編碼晶片的其他顯著特點是它實際上不會影響T波的振幅。此外，它展現出低傳輸損耗（不同於以前利用共振相互作用的解決方案）。

相位編碼晶片（如圖一）是基於傳統微帶波導，其中一側透過微製造的平面電容器連接到一系列沿波導等距分佈的六個相同的短金屬貼片。在大約 0.3 THz 的頻率下，由此產生的微結構（在微波工程中稱為短截線（stub））作為微型電磁諧振器，每個諧振器都會局部改變波導的阻抗，因此影響引導T波的傳播。它們代表了太赫茲頻率範圍，等效於電子學中常見的LC諧振電路，而LC諧振電路在如此高的頻率下是不可能實現的。由於短截線的諧振是來自駐波的激發，因此可以透過改變短截線的有效電長度來改變諧振的頻譜位置（以及它在特定頻率造成的振幅變化）。作者透過使短截線中的微電容器可藉由各自的短截線單獨提供的控制信號，進行數位切換來實現這一點。結果，他們能夠將任何給定短截線的共振進行藍移高達20%。

 

圖一、太赫兹移相晶片的原理圖，及其如何將數位編碼相位調制傳遞給沿中心波導傳播的T 波。相移是通過沿波導上側放置的短截線引入的，並充當由具有二維電子氣(2D electron gas, 2DEG)的微電容器控制的微小太赫茲諧振器。

AlGaN/GaN的異質接面（跨越他們的間隙）整合至微電容器的結構是實現大的頻譜偏移的關鍵。已知一個AlGaN/GaN的異質接面會自行產生二維電子氣(2D electron gas, 2DEG)，兩種材料之間的界面處捕獲的單層密集電子[10]。2DEG中的電子可以沿著表面自由移動，有效地形成了一個導電片，它幾乎完全連接了從一塊平板延伸到另一塊平板的製造微電容器中的間隙（見圖一）。透過間隙施加偏壓，可以使2DEG更進一步遠離平板之一，從而降低結構中的電容。作者發現將偏壓從0 V（狀態“1”）切換到 7 V（狀態“0”）後電容降低了十倍以上。

為避免T波的振幅變化，會伴隨著電子控制的諧振短截線引起的相位變化，Hongxin Zeng及其團隊選擇在頻率範圍為0.26–0.27太赫茲、非諧振的狀態運行他們的晶片。 這種技巧使他們能夠將晶片的整體傳輸維持在相對較高的水準（–6到–8 dB，取決於頻率），波動僅限於0.5 dB。儘管在此頻率範圍內透過任何單個短截線獲得的相移自然小於諧振時（低於10度），但它會隨著導波從一個短截線傳播到另一個短截線而累積，並可能高達55度。重要的是，短截線單獨施加的相移不會僅僅由於後者之間的相互作用而累加，這使得許多（其他等效的）開關組合顯得獨一無二。例如，輸入代碼 100001、010010和001100給晶片將產生不同的相移。為了完全解除簡併態（degeneracy），Hongxin Zeng及其團隊使用了另一個技巧—將控制信號的接地電極作為額外的“無源”短截線引入，他們將其放置在微帶的另一側，更靠近其末端（圖一）。微帶產生的結構不平衡能確保所有控制短截線，即使單獨切換，對引導 T波也有獨特的影響—即代碼 100000、010000、001000、000100、000010、000001 將編程不同的相移。上述所有代碼1的狀態將對應至不同的輸出。

實施的方法效果很好，使作者能夠以數字方式控制 T 波的相位，並且將它以2-5度（取決於操作頻率）的小恆定增量偏移，平均誤差僅有0.36度。假設一個基於2DEG 的微電容器的開關時間非常短為100 fs，相位編碼晶片的調制速率可能高達 3 Gbps，正如最近的一項研究表明的那樣[11]。這種高速結合小尺寸晶片（主動區面積為2.3×0.3 mm²）及其“數位化就緒”，使得演示的移相器作為未來積體化太赫茲系統的主動元件特別地有吸引力。

然而，它的實際使用可能仍會被一些留著的問題延遲。特別像是移相器的操作本質上是窄帶的，因為它（雖然不是直接）依賴諧振，因此最小以及總可達到的相移兩者都取決於工作頻率。預計晶片的傳輸損耗與活性短截線的數量成比例增加，這會限制所提出的相位調制方案的擴展性，實際上，目前展示最大相移30-55度是可能的最佳輸出。最後，目前已經針對太赫茲頻帶的低頻邊緣演示了晶片上主動式的相位控制，同時對於在1太赫茲及以上的頻率振盪的T波，是否能實現相同的工作原理還有待觀察。