太赫兹技术的用途和挑战

‍对太赫兹技术的研究可能是下一代无线和先进成像技术的关键。

太赫兹技术使用位于红外光和毫米波长之间的电磁光谱的亚毫米波段。太赫兹辐射的范围在 30 微米到 3 毫米之间，比红外光具有更好的深度穿透力，比微波具有更高的分辨率。太赫兹辐射也是非电离的，因此可以安全地在人和动物周围使用。

电磁波谱中的太赫兹波段。

本文重点介绍太赫兹的一些用途。我们还将讨论研究人员如何研究太赫兹信号的生成和检测以克服无线实施的挑战。

太赫兹技术的用途和挑战

从世界上第一个太赫兹IC到最紧凑的太赫兹激光器，在过去的一个世纪里太赫兹波长一直是一个热门的研究课题。近年来，太赫兹研究在从先进传感和光谱学到下一代无线通信的方方面面都有潜在应用。

太赫兹光谱仪示意图。图片由RSC Advances提供 太赫兹技术在医疗应用中很有用，包括皮肤成像和牙科诊断。它也常用于非破坏性的安全筛选和检测不需要的材料。也许最常见的是，太赫兹技术被认为可以产生低延迟和快速的无线数据传输，同时减少拥塞，使其成为第六代无线通信(6G)的可能候选人。 研究人员已经证明，使用太赫兹波长可以产生超过 5G 网络的数据传输速度。即便如此，这些技术仍处于早期开发阶段，并面临路径损耗等关键挑战——电磁波在给定介质中传播时的功率密度降低。太赫兹技术也很昂贵，缺乏有效的光源和探测器设计，使其无法被广泛采用。

研究人员研制出高灵敏度太赫兹探测器

最近，来自剑桥大学、奥格斯堡大学和兰开斯特大学的一组科学家发表了他们关于一种新型的使用二维电子气体的太赫兹探测器的发现。电子气体可以在两个轴上自由移动，但在第三个轴上却受到严格限制，因此在3D环境中以2D平面的形式存在。

通过将传感器暴露在太赫兹辐射下，研究人员能够读出比先前理论更强的信号。他们将这些发现归因于电磁波与不同频率物质相互作用的方式——建立在我们已经熟悉的光电效应之上。

由德国物理学家海因里希·鲁道夫·赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）发现，当超过一定能量阈值的光照射到选定材料的表面时，就会发生光电效应。然后释放先前与该材料结合的电子。这是太阳能发电和光学成像传感器等许多重要现代技术的基础。 到目前为止，还没有观察到光电效应在太赫兹范围内起作用。虽然这组科学家仍然不完全理解他们的发现如何以及为什么起作用，但他们的实验证明为太赫兹技术的未来带来了很多好处。这一新特性被命名为“平面内”光电效应，源自二维电子气平面。 当它检测到太赫兹辐射时，该团队的传感器会产生比其他方法强得多的响应幅度。这使新探测器具有相当高的灵敏度，从而减轻了衰减信号的路径损耗。

锂改善太赫兹光子源

太赫兹技术的另一项最新发展，这次是在信号生成领域，来自中国南开大学的一组研究人员和他们在加拿大 INRS-ENT 的同事。在王家一教授、夏世奇教授和王瑞德教授的带领下，开发了一种用于新型太赫兹源模块的铌酸锂光子芯片。 所讨论的材料是一种非天然晶体，其化学成分为锂、铌和氧。这种材料常用于工程，特别是电信和非线性光学。

Su-Schrieffer-Heeger型微结构中太赫兹波的非线性产生和限制

该团队使用包含铌酸锂波导条的光子微结构制造了他们的传感器。这些条带能够进行局部平凡和非平凡（nontrivial transitions）的转变。接下来，他们使用飞秒激光写入方法，在光子芯片的中心界面插入了拓扑缺陷。该团队直接绘制了一个太赫兹场，展示了沿其芯片的可调谐限制。使用这种方法，科学家们通过拓扑保护实现了波限制。 这项研究为工程师提供了一个新平台来调整太赫兹辐射的限制和拓扑特性，为光子电路在先进的电信和成像应用中用于信号生成开辟了新的可能性。

推动6G网络发展

采用太赫兹技术的一个主要障碍是如何设计和实现在现实环境中高效、廉价和可操作的收发模块。解决这些问题不仅需要先进的医疗和安全太赫兹传感器，还需要开发其他间接依赖于更快无线协议的新兴技术。 目前的无线技术不支持全息技术、人工智能，甚至不支持足够大规模的4K视频流——即使有5G标准的理论限制。剑桥大学和南开大学的这两项新发现为使用太赫兹频率的电子产品提供了可能性，推动了第六代无线网络的未来发展。

审核编辑 ：李倩