太赫兹射频器件与电路（二）

钟 旻

1 实现太赫兹射频器件与电路的另一技术途径：光子技术[1][2]

光波位于电磁波频谱中的高端，通常是指可见光，其频率范围在4.2×1014～7.8×1014Hz之间，相对应真空中的波长约为380～780 nm。激光通信是利用激光传输信息的通信方式，其中，利用大气作为传输媒质的激光通信属于无线通信的的范畴。现代大气激光通信采用相干光作为载波，以便于进行相干调制。光的相干指的是两束光的波动在传播过程中保持着相同振动方向和相位差，具有相同的频率，或者有完全一致的波形。相干调制是将需传输的信号用来改变相干光载波的频率、相位和振幅的一种调制技术。当今无论是光纤通信或大气激光（如卫星星间激光通信），其技术已甚为成熟，因此可应用于太赫兹通信。

图1是利用光子技术实现太赫兹通信的收、发信机原理框图。在收、发信机中，光波产生器即光源，是必不可少的。而发射机中的光调制器用以实现基带信号对光载波的调制，之后通过下变频器将光波变换为载有信息的太赫兹波，经放大后通过太赫兹天线发向接收方。另一种技术方案是，将光波下变频为太赫兹波，再使用太赫兹调制器对其调制。接收机将接收到的太赫兹波与本机光波通过差拍解调输出所需的基带信号；当然也可将太赫兹波直接进行解调处理。

图1 利用光子技术实现的太赫兹收、发信机基本组成框图

总之，利用光子技术实现太赫兹收发电路的关键器件是产生适合频率的光源、调解器和光-电变频器。核心是将高频率的光波转换为远低于光频的太赫兹波。此举旨在利用成熟的激光器件技术。下面将介绍其基本工作原理及电路实现。

【预备知识】

为便于初次接触激光知识的读者了解激光产生的原理，先列出一些有关的基本概念和知识。

（1）物质由原子或分子组成。原子是由带正电荷的原子核和分层围绕原子核运动的电子组成。其中，处于最外层的电子称为价电子，物质的许多物理和化学性质均与之有关。

单个原子或若干个相距无限远的原子中电子所处的能级是分立的。因原子核外电子的可能状态是不连续的，因此各状态对应能量也是不连续的，这些能量值就是能级。固体中是由多个（如N个）原子紧密排列的，由于这些原子间的相互作用，原来相同能级在数值上出现了一些差异，同一能级就分裂成为一系列和原来能级很接近、仍包含N个能量的新能级，它们连成一片而形成能带，如附图1所示。

附图1 固体的能带图

一般固体有三种能带：导带、禁带和价带（满带）。在禁带里是没有电子存在的。禁带把导带和价带分开。需要说明一下，绝缘体、半导体和导体的能带结构是不同的，对于导体，它的导带与价带重叠，而大量电子处于导带，能自由移动。如附图2所示。半导体在电子和光子电路中有着重要的应用，是最为值得关注的。

附图2 导体、半导体和绝缘体的能带结构

（2）半导体通常为晶体，它们的原子都是有规则地排列着，并通过由价电子组成的共价键将相邻的原子牢固地联系在一起。共价键就是相邻两个原子各拿出一个价电子作为共用电子对而形成的相互作用力。例如，硅和锗都有四个价电子，它们的每个原子均和相邻四个原子构成四个共价键。整块晶体内部晶格排列完全一致的晶体称为单晶。在图2所示的半导体能带图中，价带是被价电子所占据的能带，导带是挣脱了共价键束缚的自由电子所占据的能带，电子通常处于该能带中能量较低的子能级上，导带中的电子是参与导电的。在外电场作用下，电子获得动量增量，从低能级跃迁至较高能级。导带与价带之间的禁带则是不能被电子所占据的能带。

图2 激光谐振腔

（3）费米能级。图2中的费米能级（Fermi Level）以提出者费米命名，是固体物理学的一个概念，指温度为绝对零度时固体能带中充满电子的最高能级，常用EF表示。该能级上的一个状态被电子占据的概率是1/2。在半导体物理中，费米能级是个很重要的物理参数，只要知道了它的数值，在一定温度下，电子在各量子态上的统计分布就完全确定了。在半导体中，N型半导体费米能级靠近导带边，过高掺杂会进入导带。P型半导体费米能级靠近价带边，过高掺杂会进入价带。

（4）有关量子的概念。量子是反映微观客体与宏观客体本质区别的物理概念。在微观世界中，某些物理量不能连续地发生变化，而只能以某一最小单位的整数倍发生变化。这一最小单位即为该物理量的量子。普朗克首先提出能量子概念，规定能量子h=6.626×10-27尔格·秒或6.626×10-34焦耳·秒，称为普朗克常数。这种跳跃而非连续变化的现象谓之量子化。各物理量如能量、动量等的值与量子数值之比的整数倍、半整数倍称为量子数。只有在客体的单个质量、能量和尺度都很小的情况下，量子效应才是显著的。对于宏观物体，如此微小的变化是可以忽略不计的。

光量子，简称光子，光的能量量子，其能量E大小取决于频率f，即E=hf，其中，h为普朗克常数。根据爱因斯坦提出的概念，物质的分子和原子等对光的发射和吸收都是不连续的，必须以光量子为最小单位。光量子没有静止质量，只能处于以极高速度运动的状态。在真空中光的传播速度c=3×108m/s，即为光量子的运动速度。按照量子力学原理，当原子和电磁波发生作用时，将出现“跃迁”，其中，从一种较高的能态跃迁到低能态，将发射出光量子，其能量恰好等于两个能级能量之差，并对应于原子光谱上一定的波长。

（5）势阱与势垒。“阱”，意为“陷坑”。势阱是指一个包围着势能局部为极小值的区域。被势阱捕获的能量无法转化为其他形式的能量。

量子阱是指由两种不同半导体材料相间排列形成的、具有量子效应的电子或空穴的势阱。仅当阱宽尺寸足够小时，才能形成势阱。由一个势阱构成的量子阱称为单量子阱；而由两种不同半导体材料薄层交替生长形成多层结构，当势垒层足够厚，将形成许多分离的量子阱，称之为多量子阱。

势垒是描述物理客体能量状态差别的概念。在经典力学中，一物体由势能较低处跃升到势能较高的位置，它所具有的动能应大于或等于两处势能落差。此时势能与位置关系曲线呈现垒状，故称势垒。在量子力学中粒子的运动采用概率描述。当粒子的平均能量低于势垒高度时，仍有少数粒子能穿过势垒，称为势垒贯穿或“隧道效应”。

（6）介质的极化。介质是指能够传播某种运动的载体。当一种物质存在于另一种物质内部时，后者就是前者的介质；某些波状运动，如声波、电波和光波中，称传播的物质为这些波状运动的介质。

能产生电极化现象的物质统称为电介质。电介质包括气态、液态和固态等范围广泛的物质，也包括真空。固态电介质包括晶态电介质和非晶态电介质两大类，后者为绝缘体。

在外电场作用下，电介质显示电性的现象。在电介质的表面和内部不均匀的地方出现电荷，这种现象称为极化，出现的电荷称为极化电荷（见附图3）。

如图3所示，偶极子（Electric Dipole）是两个等量异号点电荷组成的系统。电偶极子的特征用电偶极矩p=qd描述，其中d是两点电荷之间的距离，d和p的方向规定由-q指向+q。在物理学里，电偶极矩用来衡量正电荷分布与负电荷分布的分离状况，即电荷系统的整体极性。当外加电场反向时，电偶极矩的方向也随之发生相应变化。因此，在交变电场作用下，电偶极矩的大小和方向也跟着交变，形成极化波，而此极化波将辐射出频率相同的次级电磁波，为物质对入射光或电磁波的反作用。

图3 半导体PN结激光器构成原理图

极化的程度用极化强度（P）来描述，它可以理解为在介质中产生的次生电场，其定义为单位体积内电偶极矩p的矢量和；P与外加电场E通过极化率建立联系。

2 光波产生器

2.1 半导体激光器[3][4]

通信中使用的光源基于受激辐射的激光器，又称光量子振荡器。激光具有亮度高、方向性强、单色性好、相干性强等特性。我们知道，固体物质的导带存在多个能级，其中的电子通常处于该能带中能量较低的子能级上，在外电场或热激励等的作用下，电子获得动量增量，从低能带跃迁至较高子能级（称为受激吸收），在此能态上通常是不稳定的，有自发回到稳定状态的趋势。在释放出相应的能量后，电子自动地回到原来的状态，其间将辐射出频率为的光子，式中，为普朗克常量，取值6.626×10-34J·s；相应为高、低能级的能量，当为最低能级时，称为基态。需要说明，一个激光器是由工作物质、激励源和谐振腔三个主要部分组成的，其中，工作物质可有适合的固体、气体、液体和半导体材料。激励源提供能量激发工作物质，使工作物质处于粒子数反转状态，也就是维持处于高能级的粒子数大于低能级的粒子数，从而使受激辐射超过受激吸收，这是产生激光最基本、最重要的条件。就半导体激光器的激励方式而言，主要有三种：电注入式、光泵式和高能电子束激励式。谐振腔的作用是强化特定量子状态的受激辐射，形成高度有序的激光输出。一个光谐振腔，内部填充了具有光放大作用的物质（气体或固体），腔体两端为两个反射面（见图2），如果腔内物质的传播增益可以克服两端镜面的反射损耗，将使光能量得以放大。

以半导体作为工作物质的激光器，是由基本半导体PN结构成的。激光器如图3所示。它是通过接上电源的PN结两侧迁移的空穴、电子复合而发出激光的。当然，要使PN结产生激光，必须在结构内形成粒子反转分布状态，需使用重掺杂的半导体材料，要求注入PN结的电流足够大（如30 000 A/cm2）。这样在PN结的局部区域内，就能形成导带中的电子多于价带中空穴数的反转分布状态，从而产生受激复合辐射而发出激光。它的最大特点是体积很小，所加直流工作电流很小，适用于通信集成电路。

为了获得更好的性能，后来出现了异质结（DH）激光器，其中，双异质结激光器的基本构成如图4所示。它的“结”是用不同的半导体材料构成的。这里使用的是砷化镓铝-砷化镓异质结，一层为P型，一层为N型（1-X和X分别表示Ga与Al成分的比例），形成所谓的“限制层”。此二限制层中夹有一层很薄的窄禁带P型半导体，称为有源层。左右两解理面作为反射镜构成谐振器以增强产生的激光。解理面是指晶体沿结晶方向切割出的光滑平面。限制层的的带隙宽于有源层，加上正偏置后，P层的空穴和N层的电子注入有源层。由于P层为宽带隙，导带的能态高于有源层，从而对注入的电子形成势垒，因此阻隔了进入有源层的电子向P层的扩散，同样，注入到有源层的空穴也不能扩散到P层（见图5）。于是在极薄的有源层内形成了粒子数的反转分布。此情况下，仅需很小的偏置电流，便可使电子和空穴浓度增大而获得高效。图6给出了加正向偏置后的的能带图。

图5 双异质结的能带图

图6 加正向偏置后异质结的能带图（图来源网络）

根据上面给出的辐射频率计算公式，一旦得知电子跃迁的能级差，便可求得产生激光的频率，而此电子跃迁的能级差，取决于采用的材料禁带的宽度。据研究，利用上述半导体材料的双异质结激光器能产生波长为0.85 μm的激光。

据介绍，已作为正式商用的半导体激光器可提供紫外波长（375 nm）、蓝光波长（405～488 nm）、绿光波长（520 nm）、红光波长（635～750 nm）、红外波长（785～2 200 nm）诸多产品。其中红外激光与太赫兹波靠近，更为适用。

2.2 光学频率梳[5][6][7]

光学频率梳（Optic Frequency Comb，OFC）简称光频梳，是一种可提供众多光频的激光源。其光谱由一系列离散、等距的频率线组成，如图7所示。

图7 光学频率梳示例

光频梳产生的方法：频率梳可以通过多种机制产生，其中一种常用方法的基本原理是，用一列脉冲对光学腔中的连续光波进行调制，如图8所示。

图8 利用脉冲调制产生频率梳

利用图9进一步说明，图9（a）是电调制产生器输出的调制脉冲序列，对连续光波进行调制后，图9（b）为输出的已调光波时间波形，由傅里叶变换可知其对应的频谱即光频梳，如图9（c）所示。

图9 （a）电调制产生器输出的调制脉冲序列（b）输出的已调光波时间波形（c）对应输出的频谱

需要说明，为了获得更宽的可利用的频谱，以及更稳定、谱线纯度更高的输出，需要引进诸多技术，如锁模、非线性光学技术等。有兴趣的读者可通过有关的文献获知。

2.3 量子级联激光器[8][9][10]

量子级联激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）可用作波长范围约为3～16 μm的中、远红外光源，其输出功率可高达瓦级，是基于半导体导带中耦合多量子阱子带间的电子跃迁所产生的一种单极性光源。通过调整有源区量子阱的厚度可以改变子带的能级间距，实现对波长的“裁剪”。级联（Cascade）的意思是，有源区中上一组成部分的输出是下一部分的输入，一级接一级串联在一起。其基本原理可用图12说明。图10（a）中，灰色的是势垒，相邻势垒之间便是量子阱，当这样的多量子阱中未加电场时，电子（图中黑色圆点）处于稳定状态；图10（b）是在有源区加电场后，在每个量子阱中电子受激跃迁（向下箭头方向），释放出光子，然后穿隧到下一个量子阱。如此重复跃迁过程积累实现光级联放大（见图11）。

图10 （a）未加电场时量子阱中的电子态（b）在有源区加电场后电子的受激跃迁

图11 （a）一种QCL样品的能带图（b）结构部分截面显微视图，量子阱与势垒显示分别为白、黑相间

图12 模拟调制与数字调制波形

需要指出，常规半导体激光器是双极性器件，导带中的电子与价带中的空穴复合生成光子，而量子级联激光器是单极性器件，只靠导带中子带间电子的跃迁产生光子。当电子从En子能级跃迁到En-1时，辐射出的光子频率为(En-En-1)/h。作为例子，图11给出了波长为7.5 μm的QCL样品的能带图和部分结构的截面图。其中级联的每一单元的注入区+有源层厚度为60 nm（10-9m）。量子阱和势垒分别由AlInAs和GaInAs半导体材料构成，有源区用于产生电子跃迁辐射光波，二者能级差为0.52 eV。在注入区中，电子受激跃迁至第3子能级，到达有源区后向下跃迁至能级2，并辐射光子。

已有报导，利用QCL能直接产生的太赫兹波频率范围约为1.2～5.4 THz。

3 光调制器[4][11][12][13][14]

调制器的作用是将信号信息叠加在光源上，也就是通过调制将信号信息“寄托”在光波上，以受调光波作为载体进行传输。按调制的波形，可分为模拟调制和数字调制两大类，如图12所示。其中，模拟调制的波形是随时间连续变化的；而在时间上离散的波形则通过数字调制方式产生。

如图13（a）、（b）所示，对光调制有内部调制和外部调制两种：内部调制（见图13（a））是对光源直接调制，通过偏置电流的变化，改变光波的某些参数，如强度、频率、相位等；外部调制如图13（b）所示，光源输出首先聚集焦，然后进入一个外部调制器，由调制信号控制光波的传输特性使之变化，如折射率、极化方向、传输方向的变化等。改变折射率（时延）则为相位调制，改变极化则为强度调制等。

图13 光调制器的基本类型

据研究，直接调制方式实现较为简单，但仅适用于调制信号速率较低的场合；对于高速率的调制，则采用外部调制。

通常利用电信号对光进行调制的调制器称为电光调制器（ELECTRO-OPTIC MODULAT0R，EOM）。采用铌酸锂（LiNbO3）和III-V族等半导体材料可构成电光调制器。对于这些半导体材料，当外加电场时，其折射率将发生变化（见图14），称为波克尔（Pockle）效应：

图14 波克尔效应的折射率与外加电场的关系

式中，n为折射率；E为外加电场；r为与材料有关的系数。

当光在如图15所示的器件中传播时，在外加电场作用下将产生附加的时延，因相位与时间成正比，对应的相位增量为

图15 利用波克尔效应实现对光波的相位调制

图16 土180°相位移的产生

图17 利用波克尔效应的横向调制

强度（振幅）调制：利用波克尔效应也可实现强度（振幅）调制，Mach-Zehnder调制器是一种获得广泛利用的例子，其最简单的一种构成如图18所示。图中左边的输入一分为二，上面的支路是利用波克尔效应的光波导，下面的支路则为纯光波导，在输出端，二路合一，干涉产生波，经推导，输出与输入光功率之间的关系为[14]：

图18 （a）一种Mach-Zehnder调制器（b）调制特性

式中，Pout与Pin分别为输出与输入光功率；u(t)为调制信号；VΠ为半波电压。例如，对于脉冲调制，当u(t)=VΠ时，Pout=0，当u(t)=0时，Pout=Pin。

4 混频器[15][16][17]

将光波变换成太赫兹波，需借助混频器进行下变频来获得。可采用非线性器件或光电器件达此目的。

4.1 采用非线性晶体材料的混频器

半导体晶体一般在小信号强度作用下是工作在线性状态。这里，线性是指晶体材料中的极化强度P与外加光电场强度E成正比。当信号强度增大后，P与E不再是线性关系，而用式（4）描述：

图19 非线性极化波形举例图

有多种非线性晶体材料，其中常用的是铌酸锂（LiNbO3），用其制作光波导，可获得太赫兹波的输出（见图20）。

图20 利用铌酸锂（LiNbO3）光波导产太赫兹波

由图21可见，射频（如微波）混频器利用了二极、三极晶体管伏安（I-V）特性的非线性，而光波混频器则利用极化率与光场强度之间的非线性。对比二者可知，后者的非线性较弱，变频效率不高。对此问题，可通过级联的方式解决。

图21 射频混频器与光波混频器的类比

4.2 单向传输载流子光电二极管（UTC-PD）

先前，是将PN结光电二极管和PIN-PD光电二极管用作光变频器，其工作原理基于光能与电能之间的转换。二极管工作时处于反向偏置状态，在反向偏置电压作用下，仅产生微弱的电流，称为暗电流。当光照在二极管上时，具有能量的光子进入PN结后，其能量被共价键中的电子吸收，其中一些达到一定动能的电子将挣脱共价键，形成电子-空穴对，称为光生载流子。在P区，光生电子扩散到PN结，若P区厚度小于电子扩散长度，则大部分光生电子将能穿过P区到达PN结；在N区亦同理。总之，若光的强度越大，反向电流也就越大，这种特性称为光导电，所产生的电流称为光电流，光的强度与光电流成正比。对光电流做出贡献的包括电子和空穴两种载流子。为提高器件对光的灵敏度，光电二极管的暗电流因尽量最小化。图22是利用光电二极管产生太赫兹波的示意图。在输入端，由两个激光产生器分别产生角频率为、幅度为A的等幅光波，二者通过耦合（合路）器叠加，可得

图22 利用光电二极管产生太赫兹波的示意图

值得注意的是，如图23所示，在PIN-PD的吸收层（I）中，由于两种载流子各自速度不同，电子很快掠过吸收层，而空穴因运动速度慢，停留时间长，因而总的载流子迁移时间主要取决于空穴的运动时间，另外，当输出电流或功率增大时，其响应速度和带宽会进一步下降，这是因为低迁移率的载流子空穴在运动过程中形成堆积，产生空间电荷效应所致。

图23 PIN-PD二极管的构成和能带图

单向传输载流子光电二极管（Uni-Traveling-Carrier Photodiode，UTC-PD），突破PIN-PD的局限，是一种新型的光电二极管，其基本构成和能带图如图24所示。UTC-PD中P层与N层之间主要由三层构成：靠近P层的P-InGaAs是吸收层（要求禁带宽度小于入射的光子能量），其作用是吸收入射的光子能量，产生大量的电子空穴，称为光生载流子。为了减小空间电荷效应，对吸收层一般进行中等程度的P型掺杂。因此，吸收层的空穴是多子，电子是少子。多子的空穴停留在产生的区域。只有少子——电子穿过中间层并在外加偏置电压作用下到达N层，被称为单向传输载流子。靠近N层的InP层是收集层，其作用是收集少子——电子。激光从收集层注入，该层禁带宽度大于入射的光子能量，对激励光子透明，使光得以进入吸收层产生作用。此外，为了阻挡电子向阳极（P）扩散，在吸收层P-InGaAs和带隙层（P+-InGaAs）之间生成一层很薄的P+-InGaAsP层，形成导带势垒，称为阻隔层。

图24 UTC-PD的构成和能带图

太赫兹信号由UTC-PD中的超高速光电（O/E）转换信号产生。通过在光耦合器中组合两个不同频率（f1，f2；f1＞f2）的光，获得拍频频率为fb（=f1-f2）的光拍频信号。例如，通过使用波长为1.5000 μm（201 THz）和1.5075 μm（200 THz）的光，我们可以获得频率恰好为1 THz的拍频信号。输入到UTC-PD的光学拍频信号被转换为具有与fb相同频率的调制电流。太赫兹信号可以通过将调制电流从波导或天线辐射到空间来获得。

5 电路举例[18]

图25（a）给出了利用光子技术的太赫兹收发信机的组成。在发射端，由两个激光器分别产生频率为fS.a和fS.b的光波。基带信号通过I、Q支路对fS.a进行正交调制为QPSK信号，然后与频率为fS.b的光波经耦合器合路，基代信号输入UTC-PD的总光功率为12.8 mW，UTC-PD将其变换为太赫兹波，馈送到天线发向收端。收、发天线均由喇叭天线和聚四氟乙烯制作的透镜天线组成。收、发端之间距离为58 m。接收机将接收到的太赫兹信号功率放大到8 0 mW，通过由光电导器件构成的解调器将Q PSK信号解调输出，并送显示器终端。图25（b）给出了数据率分别为1.5 Gbps、5 Gbps和10 Gbps时的星座图和测量所得的比特差错率性能。后者从收到的105码元统计而得。由图可见，当数据率＜3 Gbps时无差错（＜10-4），当数据率为10 Gbps时，通过前向纠错使差错率在门限以下的开销为7%。

图25 利用光子技术的太赫兹收发信机

6 结束语

利用光子技术，包括光频的产生、调制和频率变换等配套的元、器件和电路，构成太赫兹收发信机，其技术是成熟的，这为太赫兹通信设备提供了一条切实可行的途径，此举已得到了实际的验证。