太赫茲射頻器件與電路（三）

鐘 旻

1 實現(xiàn)太赫茲射頻器件與電路的第三條技術(shù)途徑：等離子技術(shù)

等離子體方法的目標是構(gòu)造本質(zhì)上在太赫茲頻率下運作的器件，即不需要從微波范圍上變頻轉(zhuǎn)換，或從光學(xué)器件產(chǎn)生光再下變頻轉(zhuǎn)換為太赫茲波，而直接從等離子體產(chǎn)生。等離子體早在20世紀20年代就已問世，而之后新的發(fā)現(xiàn)，特別是利用如石墨烯等二維納米材料，打開了室溫下工作的太赫茲納米器件的大門，使得它們對太赫茲通信特別有吸引力。

由圖1可見，利用等離子技術(shù)實現(xiàn)太赫茲通信收發(fā)信機，需要解決信號源的產(chǎn)生、變頻、調(diào)制、放大和濾波等問題。為此，需首先弄清等離子體、等離子體波（Plasma Wave）與表面等離子極化激元（Surface Plasmon Polariton，SPP）的概念和利用它們產(chǎn)生太赫茲波的原理。

圖1 利用等離子技術(shù)實現(xiàn)太赫茲收發(fā)信機的基本組成框圖

2 利用等離子技術(shù)產(chǎn)生太赫茲波的原理[1][2][3]

等離子體或等離子態(tài)，是指數(shù)目幾乎相等的正負離子構(gòu)成的物質(zhì)形態(tài)，如電離氣體。實際上，金屬中的傳導(dǎo)電子、半導(dǎo)體體中的電子與空穴，也滿足等離子體條件。這是物質(zhì)的電子從原子中剝離出來成為自由電子和離子組成的，其共同的條件是體系整體上近似呈現(xiàn)電中性。

理論與實踐都證明，某些氣體（如空氣）、液體（如水）和固體（如鋁箔）等離子體均可激發(fā)出太赫茲波（見圖2），它們是在等離子體中產(chǎn)生的電磁波，稱等離子體波。在圖2中，使用了飛秒光纖激光器輸出飛秒光脈沖，作用于這幾種等離子體，便能誘導(dǎo)出太赫茲波。飛秒光纖激光器是一種主要由光纖激光器構(gòu)成，具有飛秒（10-15秒）區(qū)持續(xù)時間的脈沖激光器。飛秒激光不是單色光，而是中心波長在800 nm左右的一段波長連續(xù)變化光的組合，利用這段范圍內(nèi)連續(xù)波長光的空間相干，來獲得時間上極大的壓縮，從而實現(xiàn)飛秒量級的脈沖輸出。

圖2 利用氣體、液體和固體等離子體激發(fā)出太赫茲波

需要指出，用等離子體波輻射到自由空間時，效率是很低的。從太赫茲通信收發(fā)設(shè)備應(yīng)用的角度看，既要解決等離子體產(chǎn)生太赫茲波構(gòu)成信號源并能向自由空間有效輻射，又能小型化，以及便于與其他器件和電路的集成，特別是做成平面電路結(jié)構(gòu)等，使其利于手持、車載和室內(nèi)基站與終端的實現(xiàn)。于是表面等離子極化激元（SPP）的應(yīng)用便受到了特別的關(guān)注。它是指空氣或介質(zhì)與金屬表面的自由電子相互作用而引起的一種電磁波模式。即一種沿著介質(zhì)和金屬（導(dǎo)體）界面方向傳播的表面電磁波，一般是電磁場與導(dǎo)體內(nèi)等離子體相互耦合的縱向振蕩模式，而其沿界面垂直方向上傳播振幅呈指數(shù)衰減，如圖3所示。在電場作用下，金屬中的電子分布不均勻，電子密集處相對于稀疏處形成了正負電荷交替的區(qū)域，是表面波振蕩模式。理論研究表明，這是一種橫磁（TM）波，即磁場只分布在垂直于傳播方向的橫截面上，沒有縱向（傳播方向）分量。SPP波可用電子激發(fā)，它是通過發(fā)射電子進入一塊金屬，由于電子散射，其能量轉(zhuǎn)變?yōu)轶w等離子，散射矢量中平行于表面的分量而形成SPP。此外，利用光脈沖通過適合的方式可激發(fā)太赫茲SPP波。

圖4（d）是棱鏡耦合和光柵耦合達到匹配的示意圖（圖中圓圈）。

圖4 自由空間光與SPP波的耦合匹配方法

據(jù)研究，構(gòu)成上述介面的金屬可用金、銀等導(dǎo)體，介質(zhì)可用硫化鋅、二氧化硅、砷化鎵等。近年來，石墨烯異軍突起，成為太赫茲器件的一個熱點。

石墨烯的構(gòu)成如圖5（a）所示。它是由單層的碳原子構(gòu)成的蜂窩晶格。由于其厚度僅為一個碳原子的尺寸（約0.34 nm），因此是二維的結(jié)構(gòu)。圖5（b）是能帶圖，導(dǎo)帶和價帶呈錐形，稱為Dirac錐。二者之間無禁帶。當石墨烯吸收光子時，高能量光子，可導(dǎo)致電子帶間躍遷，產(chǎn)生近紅外波長的輻射；對于低能量的光子，則引起電子的帶內(nèi)躍遷，產(chǎn)生遠紅外或太赫茲波輻射。

圖5 （a）石墨烯的構(gòu)成（b）能帶圖

從微電子應(yīng)用的角度看，石墨烯具有以下的特性。

（1）高導(dǎo)電性。石墨烯作為一種半導(dǎo)體，電阻率極低，約為10-6Ω·m，比銀、銅的低。故自由電子在其中的運動速度達到光速的1/300。其高的電子和空穴遷移率（在室溫下高達2×105cm2/Vs，而當T＜55 K時高達107cm2/Vs），對超高速信號具有極好的響應(yīng)能力。

（2）可調(diào)諧性。通過適當偏置或光激發(fā)可對石墨烯構(gòu)成的元、器件的諧振頻率進行調(diào)諧，具有適應(yīng)不同太赫茲工作頻率的靈活性。

（3）寬帶特性。石墨烯具有寬帶吸收性，其導(dǎo)帶與價帶之間為零帶隙[圖5（b）]，無色散，在超寬頻帶內(nèi)具有線性相位，這意味著石墨烯器件對寬帶、超寬帶信號不會造成波形失真。

（4）高機械強度和高散熱系數(shù)。

（5）超小尺寸。除二維結(jié)構(gòu)外，對相同頻率，在石墨烯中的波長比在自由空間的縮小數(shù)百乃至千倍，而許多太赫茲器件與工作波長是成正比的，因而可構(gòu)成納米級器件。

作為例子，圖6是利用石墨烯產(chǎn)生太赫茲SPP波的示意圖。它是在以金屬作為接地板，上放置一介質(zhì)片，再在上面覆蓋一層石墨烯，介質(zhì)片與石墨烯的尺寸是10～100 nm×1 000 nm?？刹捎秒姶挪ɑ蚬饷}沖作為泵源。

圖6 利用石墨烯產(chǎn)生太赫茲SPP波

需要說明，利用電源激勵，基于雙層分別摻入n和p型雜質(zhì)的石墨烯，在外電場作用下分別形成二維電子氣和二維空穴氣等離子體，電子從邊界接觸處注入，從而在石墨烯之間形成反轉(zhuǎn)粒子而產(chǎn)生太赫茲輻射，但其強度不及光波激勵。

另一例子是一種“納米發(fā)射機”用的高電子遷移率晶體管（HEMT），如圖7所示。關(guān)于HEMT的構(gòu)成和原理，在“太赫茲射頻器件與電路（一）”中已有介紹。不同的是，這里柵極不是使用金屬-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)成的，而是代之以石墨烯，下面為絕緣層（InGaAs）和GaN或GaAs，二者間隔著二維電子氣（2DEG）。

圖7 （a）“納米發(fā)射機”用的高電子遷移率晶體管（HEMT）（b）柵區(qū)下二維電子氣形成諧振

圖7（a）中，HEMT柵極下的二維電子氣是在異質(zhì)結(jié)界面運動的電子流。這里采用無線電泵激發(fā)，在二維電子氣中產(chǎn)生等離子體波，然后再以無線方式，將其耦合到石墨柵上感應(yīng)出SPP波。研究得知，當柵長（L）設(shè)計為100～200 nm時，等離子體波將對1～4 THz的頻率產(chǎn)生諧振，如圖7（b）所示，即電荷的振蕩，從而在石墨烯柵極界面上耦合感應(yīng)與此頻率相近的SPP波，這兩種波形在傳播特性上是匹配的。所連接漏極與源極的電壓源，在基帶信號的控制下，通過“通”“斷”電壓，對SPP波進行調(diào)制。

3 無源器件

在無線電射頻電路中，電路功能是通過有源與無源器件的組成來實現(xiàn)的。無源器件主要是電阻類、電感類、電容類器件和傳輸線等，它們的共同特點是在電路中無須加電源即可在有信號時工作。有源器件包括信號產(chǎn)生（振蕩）器、放大器、調(diào)制解調(diào)器、倍頻/分頻器等。下面舉例介紹若干太赫茲收發(fā)信機中可能使用的無源器件。

3.1 傳輸線[4][5][6][7][8]

3.1.1 微帶傳輸線

傳輸線是用來傳送射頻（太赫茲波）信號的。在收發(fā)電路中，要采用傳輸線將有關(guān)器件連接。常見的有微帶和波導(dǎo)。用于傳輸太赫茲波的一種采用石墨烯的微帶傳輸線結(jié)構(gòu)如圖8所示。通過理論和實驗表明，這種微帶傳輸線的基模為橫磁（TM）模，主要在襯底內(nèi)導(dǎo)行；而沿著金屬-二氧化硅界面則傳導(dǎo)SPP模，就是說此結(jié)構(gòu)可作為太赫茲波的傳輸線。對于圖8（a）中所給尺寸，工作頻率范圍為0.5～1.8 THz。圖8（b）則是其橫截面上基模和SPP模光場的分布。

圖8 一種采用石墨烯的微帶結(jié)構(gòu)和橫截面上的光場分布

圖9 有石墨烯的微帶線的傳播常數(shù)和特性阻抗隨頻率的變化關(guān)系

研究表明，改變SiO2的高度，微帶傳輸?shù)膫鞑コ?shù)隨頻率仍近似為線性；而對特性阻抗的實部則有較大的影響，這為優(yōu)化設(shè)計提供了有價值的參考。

3.1.2 波導(dǎo)

在微波-毫米波頻段，波導(dǎo)是一種常用的三維傳輸線，也可推廣應(yīng)用于太赫茲波，因太赫茲波導(dǎo)尺寸極小，也可集成于平面電路上。波導(dǎo)可由金屬或介質(zhì)構(gòu)成，其橫截面有矩形或圓形，或平板形等。

一種用于太赫茲波的金屬與石墨烯構(gòu)成的矩形波導(dǎo)如圖10所示，圖中顯示的是波導(dǎo)的橫截面，傳輸方向（Z軸）未畫出。矩形四邊為金屬（導(dǎo)體）片構(gòu)成，b為窄邊；2a為寬邊，分別為波導(dǎo)中的相對介電常數(shù)和導(dǎo)磁率，在中間（X=0）插入一石墨烯薄膜。石墨烯的導(dǎo)電率是根據(jù)邊界條件，波導(dǎo)內(nèi)在金屬壁上的切向電場分量為0，僅存在電力線與金屬內(nèi)壁垂直的電場分量。理論上滿足此邊界條件的電磁場分布結(jié)構(gòu)有無數(shù)個，但是離散的。其中橫電橫模是它的基模（m=1），它的電場力線與Y軸平行，其幅度沿X軸為半個余弦波分布；m=2則為兩個半波余弦分布。

圖10 金屬與石墨烯構(gòu)成的太赫茲波矩形波導(dǎo)橫截面圖

圖11 歸一化傳播常數(shù)隨頻率變化的曲線

另一例為圖12所示的圓形波導(dǎo)。其圓截面上，從圓心向外，標明的三個半徑分別記為R1、R2和R3；三個分區(qū)中，I區(qū)和III區(qū)用半導(dǎo)體材料InAs填充，II區(qū)填充絕緣材料SiC，其內(nèi)、外層表面則覆蓋石墨烯薄膜。

圖12 含有兩層石墨烯的圓柱介質(zhì)波導(dǎo)

這種波導(dǎo)傳輸?shù)闹髂長P1模，低次模為LP01和LP11，其光強分布如圖13所示。

圖13 （a）LP01的光強分布（b）LP11的光強分布

選擇不同的R1，可獲得低傳輸損耗的性能，圖14是R1分別取時，傳播衰減常數(shù)隨頻率的變化關(guān)系。由圖14可見，當時，衰減常數(shù)為0.55 dB/m；與傳統(tǒng)采用的鍍銀介質(zhì)波導(dǎo)衰減常數(shù)為7～8 dB/m相比，其低耗性能有了大幅度的提升。

圖14 不同R1的兩層石墨烯圓柱波導(dǎo)傳播衰減常數(shù)隨頻率變化曲線

實際上，已有許多不同形狀結(jié)構(gòu)的利用石墨烯的介質(zhì)波導(dǎo)，其中一些如圖15所示。

圖15 若干利用石墨烯薄膜構(gòu)成的太赫茲納米線（GCNW）波導(dǎo)

圖15中，（a）為圓形截面，（b）為橢圓截面，（c）為類同軸，（d）為類長同軸，（e）為成對圓形，（f）為蝴蝶領(lǐng)結(jié)形，（g）為傳統(tǒng)，（h）為對稱的基于GCNW混合波導(dǎo)，（i）為修改對稱的GCVW，（j）為基于三角形圓形介質(zhì)集成的GCNW混合波導(dǎo)，（k）為一維陣列GCNW，（l）為二維陣列GCNW，（m）為三聚體。

3.1.3 共面波導(dǎo)（CPW）和平面Goubau傳輸線（PGL）

在介質(zhì)基片的一個面上制作出中心導(dǎo)體帶，并在緊鄰中心導(dǎo)體帶的兩側(cè)制作面積較大的導(dǎo)體板構(gòu)成接地平面，這樣就構(gòu)成了共面波導(dǎo)（CPW），又叫共面微帶傳輸線，其基本組成的橫截面圖如圖16（a）所示。共面波導(dǎo)傳播的是準TEM波。由于中心導(dǎo)體與導(dǎo)體平板位于同一平面內(nèi)，因此，在共面波導(dǎo)上并聯(lián)安裝元器件很方便，用它可制成傳輸線及元件都在同一側(cè)的單片微波集成電路。

圖16 （a）共面波導(dǎo)（CPW）橫截面和電場分布圖（b）平面Goubau傳輸線（PGL）橫截面和電場分布圖

若將共面波導(dǎo)上面的接地板去掉，便得到另一種稱之為平面Goubau線的傳輸線（PGL）。如圖16（b）所示。研究表明，在太赫茲頻段，PGL比CPW具有更低的傳輸損耗。

3.2 模式轉(zhuǎn)換[9]

在太赫茲傳輸線中，有多種模式（波型），如需互連時，要接入模式（波型）變換器來匹配。圖17給出了一些模式轉(zhuǎn)換的例子。圖17中，（a）是將CPW通過椎形變換過渡到PGL；（b）將輸入的太赫茲波轉(zhuǎn)變?yōu)镾PP波在輸出端之前再再轉(zhuǎn)換為太赫茲波；（c）將共面波導(dǎo)輸入端口處的橫電磁（TEM）波轉(zhuǎn)變?yōu)镾PP波；（d）將微帶線的TEM波轉(zhuǎn)換為等離子體波導(dǎo)的SPP波。

圖17 傳輸線模式轉(zhuǎn)換舉例

3.3 濾波器[10][11][12]

濾波器的作用是進行頻率選擇，即選取出有用信號的頻帶，濾除或抑制不需要的頻帶，有低通、高通、帶通、帶阻等。通常用插入損耗來描述其通帶和阻帶的性能，要求通帶內(nèi)的插損要低，阻帶內(nèi)的插損要高。這幾種濾波器的理想特性如圖18所示。此外，通帶與阻帶之間的過渡要盡可能陡峭。

圖18 濾波器的理想特性

在太赫茲波電路中，特別是平面集成電路，濾波器大多使用分布參數(shù)的元器件來構(gòu)成，下面是傳輸線型帶通、高通和帶阻濾波器的舉例。

（1）一種微帶交指帶通濾波器如圖19所示，圖19（a）為原理圖，（b）為三維圖。

圖19 一種微帶交指帶通濾波器

從帶通濾波器的原理可知，它是由若干個諧振器耦合級聯(lián)構(gòu)成的，這里由五根四分之一波長微帶線組成，一端開路，另一端短路[圖19（a）中穿孔接地]，按照傳輸線原理，每一根都是一個諧振器，當信號中心頻率等于它的自然諧振頻率時，便會產(chǎn)生諧振，線上的電流是純駐波，由它激起的交變電磁場會耦合到下一個諧振器中去。這樣，一節(jié)一節(jié)地將信號從輸入端輸送到輸出端。當不需要（無用）的信號頻率遠離微帶諧振器的自然諧振頻率時，耦合極其微弱而幾乎沒有輸出。總之只有在微帶諧振器自然諧振頻率附近的信號頻率分量，才能通過濾波器，因此具有帶通性質(zhì)。

這種濾波器的尺寸是W=24 μm，L=30μm。按圖19的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，獲得了雙帶通的性能，按3 dB帶寬計算，第一個通帶的頻率范圍是0.97～1.02 THz，第二個通帶的范圍是1.47～1.52 THz。此濾波器的金屬帶條上貼有石墨烯薄膜，其優(yōu)點是其可調(diào)諧性，研究表明，通過電調(diào)，可將石墨烯的化學(xué)勢值從0.09 eV改變?yōu)?.11 eV，相應(yīng)帶通濾波器的諧振頻率可以在0.14 THz的范圍內(nèi)調(diào)諧。

（2）圖20是一種利用耦合微帶線構(gòu)成的帶阻濾波器。圖20（a）中，在主微帶傳輸線兩側(cè)放置三節(jié)微帶短線，按照微帶線理論，設(shè)計每節(jié)微帶等效一個諧振器，并與主傳輸線耦合。當太赫茲信號通過主傳輸線先后經(jīng)這三節(jié)微帶短線所對應(yīng)位置時，與諧振器自然諧振頻率相同的信號頻率分量，將在諧振器中產(chǎn)生共振，換言之，這些信號頻率分量為諧振器所吸收，經(jīng)此三個諧振器的共振吸收后，到達主傳輸線的輸出端口的這一部分信號頻率分量已被大大削弱，從而起到了帶阻的作用；阻帶外的信號因電路對它們不產(chǎn)生共振吸收，故將無衰減，或衰減很少而輸出。

圖20 一種利用耦合微帶線構(gòu)成的帶阻濾波器

為獲得可調(diào)諧性能，微帶的金屬帶條上覆蓋了一層石墨烯薄膜，通過改變其化學(xué)勢可改變阻帶的中心頻率。此濾波器的一個樣品的性能如表1所示。

表1 此濾波器的一個樣品的性能

圖21是一種利用微帶分支線構(gòu)成的高通濾波器，微帶帶條的金屬導(dǎo)體表面覆蓋有一層石墨烯薄膜，取適當?shù)幕瘜W(xué)勢來確定電路參數(shù)（注：化學(xué)勢，一個物種的化學(xué)勢是由于給定物種的粒子數(shù)的變化而可以吸收或釋放的能量。就石墨烯而言，其電導(dǎo)率與化學(xué)勢有密切的關(guān)系，可通過理論分析和實際測量得到定量的結(jié)果，用以設(shè)計和控制石墨烯器件的性能參數(shù)）。圖21（b）、圖21（c）為傳輸線和集總參數(shù)等效電路。圖21（a）中，微帶基片尺寸為2.25μm×2.30 μm，厚度為200 nm，基片介質(zhì)為二氧化硅，相對介電常數(shù)為3.9。通過短路分支線與主線并聯(lián)構(gòu)成高通濾波器。按微帶傳輸線理論，對于適當長度（小于四分之一波長），高特性阻抗短路分支線在主線接入點處等效為一并聯(lián)電感，當二并聯(lián)電感之間，主線的一小段微帶寬度較寬（低特性阻抗）時，呈容性，于是得到圖21（b）、圖21（c）的等效電路。

圖21 一種利用微帶分支線構(gòu)成的高通濾波器

結(jié)果所獲得的高通濾波器插入衰減特性如圖21（d）所示。其中，截止頻率f1所對應(yīng)的插入衰減LA=1.4 dB，f＞f1時，LA＜1.5 dB。在阻帶，當f=2 THz時，LA=9.5 dB。在2～5 THz之間的過渡帶不夠陡峭，這是因為微帶分支數(shù)較少所致。增加并聯(lián)分支數(shù)即濾波器節(jié)數(shù)，可使性能進一步改善。

4 變頻器、調(diào)制器和放大器[13]-[17]

4.1 變頻器

上、下變頻器是外差式收發(fā)信機必要的器件，在發(fā)射機中上變頻器將中頻信號變換為太赫茲射頻信號，進而饋送給天線向空間輻射；是在接收機中下變頻器則將太赫茲射頻信號變換為中頻信號，以便之后的解調(diào)處理。變頻是通過混頻器實現(xiàn)的，數(shù)學(xué)上，具有非線性特性的混頻器是一個乘法器，將加入本振與信頻信號二者相乘，得到和、差頻分量。所產(chǎn)生的差頻分量是為中頻信號；而和頻分量則為射頻信號。

注意到，本振為太赫茲源，另外，GFET工藝制作也較為復(fù)雜。有研究發(fā)現(xiàn)，直接利用片狀石墨烯產(chǎn)生的非線性效應(yīng)更為便捷。如圖22所示，當單一角頻率的電磁波入射到石墨烯基片上時，將感應(yīng)產(chǎn)生電流，理論上它包含有無數(shù)個奇數(shù)階的諧波，其幅度隨階次的增加而緩慢下降：

圖22 利用GFET構(gòu)成混頻器

圖23 利用石墨烯產(chǎn)生倍頻

作為例子，這里給出了基于石墨烯僅用單級、在射頻為330～500 GHz頻段工作的分諧波混頻器，它對本振具有高次倍頻作用，同時實現(xiàn)上變頻或下變頻的功能，輸入本振信號頻率范圍是26～40 GHz，中頻約為400 MHz。所采用的原理電路如圖24所示。以下變頻為例，本振與射頻信號分別從各自的波導(dǎo)端口輸入，在混頻器電路中的石墨烯薄膜處交會，產(chǎn)生的中頻信號經(jīng)中頻濾波器后從中頻口輸出。圖24（b）、圖24（c）分別為下變頻和上變頻的頻譜圖。

圖24 利用石墨烯分諧波混頻的電路舉例

因為中頻固定為400 MHz，對于不同的射頻，所需本振的頻率近似值和倍頻階次如表2所示。表2中的頻率單位為GHz。由于石墨烯強的非線性，通過單級倍頻便可實現(xiàn)，而用傳統(tǒng)的倍頻器，則需多級級聯(lián)，這是石墨烯具有的突出優(yōu)點。

表2 對于不同的射頻所需本振的頻率近似值和倍頻階次

4.2 調(diào)制器

對太赫茲波的調(diào)制可采用調(diào)頻、調(diào)相、調(diào)幅（或強度調(diào)制）和極化調(diào)制等方式。其中獲得廣泛應(yīng)用的是振幅調(diào)制和相位調(diào)制，因為它們易于與硅基光電電路集成。圖25列出了其中的關(guān)鍵技術(shù)。圖中，選用二維材料是為了使所構(gòu)成的器件微型化、平面化，以便于系統(tǒng)集成。石墨烯是理想的二維材料。過渡金屬硫化物（TMGDC）也是一種二維材料，主要有二硫化鉬（MoS2）、二硫化鎢（WS2）、二硫化錸（ReS2）、二硒化鈦（TiSe2）、二硒化鈮（N bSe2）、二硒化錸（ReSe2）等。它們具有優(yōu)異的機械性能、光學(xué)性能，能耗低，可用作納米電子器件、光電子器件和柔性電子器件等?；旌喜牧蟿t是用石墨烯和其他介質(zhì)材料結(jié)合起來構(gòu)成調(diào)制器。

圖25 太赫茲調(diào)制的關(guān)鍵技術(shù)

全光調(diào)制、磁-光調(diào)制和電-光調(diào)制都被證明是可行的。但全光調(diào)制需要增加一個用于調(diào)制的激光源，而磁-光調(diào)制的實現(xiàn)又較為復(fù)雜。相比之下電-光調(diào)制技術(shù)成熟，應(yīng)用更為普遍。起調(diào)制作用的載流子的濃度，可以通過電子注入或耗盡來調(diào)節(jié)。

以振幅調(diào)制為例，如圖26所示，用p型輕摻雜的硅（Si）構(gòu)成介質(zhì)波導(dǎo)，波導(dǎo)厚度為355 μm，脊高80 μm，寬230 μm。波導(dǎo)介質(zhì)折射率為3.5，其傳輸?shù)幕門E模和TM模。在波導(dǎo)橫截面的中間插入一石墨烯膜片，膜片的上下面各覆蓋一層150納米厚的二氧化硅。通過石墨烯片與波導(dǎo)面間的電極連接調(diào)制電源以進行調(diào)制。由波導(dǎo)導(dǎo)引的太赫茲波穿透石墨烯片，而在石墨烯和硅之間所加電壓可改變石墨烯中的載流子濃度，也就是改變其介電常數(shù)。據(jù)光學(xué)原理，介電常數(shù)是個復(fù)數(shù)，描述了介質(zhì)材料對光（電磁波）的響應(yīng)。其實部反映了介質(zhì)的折射特性，虛部則反映了介質(zhì)的吸收特性。當太赫茲波在介質(zhì)波導(dǎo)中傳播時，由于介電常數(shù)虛部的作用，部分能量將被吸收而導(dǎo)致傳輸強度的下降（衰減），虛部的絕對值越大，吸收能力越強。衡量振幅調(diào)制的一個基本、重要的指標是振幅調(diào)制深度。在本案例中，加入的是開關(guān)脈沖序列，當脈沖輸出電壓為0（相當于開關(guān)“斷”）時，太赫茲波輸出強度最大（Tmax），而有輸出（相當于開關(guān)“通”）時則輸出強度最?。═min），按定義，振幅調(diào)制的調(diào)制深度MD（%）為

圖26 （a）一種利用插入石墨烯膜片介質(zhì)波導(dǎo)的振幅調(diào)制（b）調(diào)制深度隨頻率變化曲線

據(jù)報道，該調(diào)制器對0.2～0.7 THz頻率范圍的TE模太赫茲波的振幅調(diào)制深度達90%。

4.3 放大器

如圖27所示為納米發(fā)射機用的高電子遷移率晶體管（HEMT），當從柵極輸入太赫茲信號時，將在漏極中獲得放大。此外，還有若干種類的太赫茲放大器，其中一例是利用集成波導(dǎo)的行波型太赫茲波放大器。如圖28所示，此波導(dǎo)由碳化硅（SiC）襯底和沉積的多層石墨烯（MGL）組成。研究發(fā)現(xiàn)，當波導(dǎo)受到一激光泵浦激勵時，沿著波導(dǎo)傳輸?shù)奶掌澆▽⒌靡苑糯蟆?/p>

圖27 基于多層石墨烯的太赫茲放大器

圖28 （a）不同光泵強度下MGL的電導(dǎo)率的頻率特性（b）光泵MGL的增益頻率特性

5 應(yīng)用舉例[18]

圖29給出了一種納米收、發(fā)信機基本架構(gòu)原理圖。收、發(fā)信機的核心器件是采用石墨烯作為柵極的HEMT[見圖26（a）]。在發(fā)射機中，HEMT漏極與源極連接電壓源，在加入基帶信號的控制，利用“通”“斷”電壓，對SPP波進行調(diào)制。之所以用此方式，其中之一優(yōu)點是利用SPP波便于將HEMT與等離子納米發(fā)射天線連接（見圖30）。

圖29 一種納米收發(fā)信機基本架構(gòu)原理圖

圖30 HEMT輸出通過T形饋線與天線連接

6 結(jié)束語

等離子技術(shù)是實現(xiàn)太赫茲射頻器件與電路的另一條技術(shù)途徑。本講座通過一些具體例子介紹了其工作原理。由于二維材料如石墨烯等的出現(xiàn)，它們具有許多特有的物理、化學(xué)特性，可構(gòu)成高性能、納米型結(jié)構(gòu)的電路與器件，隨著研究與工藝的推進，這些器件與電路已日臻完善配套[19][20][21]，是很值得期待的。當然，要達到完全成熟和實用化的程度，尚須進行許多工作。