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太赫茲波被認為是一種強大的工具，可以在潛在的 6G 網路中快速傳輸大量資料，並像 X 射線一樣穿透固體物質——而且沒有危險的電離輻射。然而，事實證明，將這些想法真正付諸實踐非常困難。現在，一個研究小組表示，他們正在利用一種可以將強大的太赫茲波放在晶片上的裝置，讓太赫茲夢想更接近現實。
太赫茲波位於微波和遠紅外光之間電磁波譜中被忽視的部分，通常在 0.1 到 10 太赫茲的範圍內。除了能夠穿透許多材料之外，太赫茲波的頻率比無線電波更高，這使得它們能夠傳輸更多資訊。太赫茲波的缺點是利用它們的物理條件具有挑戰性。它們很快就會被空氣中的水蒸氣吸收，在銅等常用的電子材料中會損耗，而且產生這些頻率的方法通常很大或只能以低功率產生它們。
由於矽和空氣的介電常數不同，在晶片中產生太赫茲波時，這個問題就很明顯了。介電常數是指材料集中電場的能力。當波遇到介電常數不同的材料邊界時，一部分波會被反射，一部分會被透射。材料之間的對比度越大，反射越大。矽的介電常數為 11.9，遠高於空氣 (1)，因此，太赫茲波會在矽和空氣的介面處反射。這會導致嚴重的訊號損失。
一種解決方法是在晶片上放置矽透鏡以增強輻射功率，使太赫茲訊號傳播得更遠，但這些透鏡價格昂貴，並且可能比晶片本身還要大。
利用圖案化薄片增強太赫茲波
為了克服這一限制，麻省理工學院的研究人員採用了不同的方法。他們沒有使用透鏡，而是在晶片背面貼上一種特殊圖案的薄片，以增強電磁波從矽到空氣的傳輸。薄片上有許多孔，一部分是矽，一部分是空氣，介電常數介於矽和空氣之間，使大多數波可以透射而不是反射。研究人員實現了他們所說的比現有裝置更高的輻射功率，而且沒有使用矽透鏡。
在 2 月底於舊金山舉行的IEEE 國際固態電路會議上，該團隊在論文和幻燈片中概述了太赫茲輻射器裝置如何整合片上放大器-倍增器鏈陣列、倍增器和寬頻蝴蝶結形槽線天線。所有這些加起來形成了一個可產生 232 至 260 千兆赫輻射的系統。
除了介電片之外，該晶片還採用了高功率英特爾電晶體，擊穿電壓為 6.3 伏，最大頻率為 290 GHz，高於傳統CMOS電晶體。該團隊稱，該晶片安裝在一塊 51 x 40 毫米的印刷電路板上，介電匹配片暴露在背面，測得的峰值輻射功率為 11.1 分貝毫瓦，高於 200 至 300 GHz 頻段的同類裝置。
麻省理工學院電氣工程與計算機科學系研究生表示，介電片並不是一個新概念，但 CMOS 太赫茲源是其應用的理想場景。
該輻射器成本低，可大規模生產。潛在的應用領域包括高解析度雷達成像、寬頻無線傳輸和更好的醫學成像。
“主要挑戰是溫度和電流密度管理。目前，電路在相對極端的條件下執行，這縮短了電晶體的壽命，”他說。
“此外，如果我們將系統規模擴大到大型 CMOS 陣列，熱管理將成為一個關鍵問題，”他補充道。“這需要更精緻的散熱器和風扇設計。不過，我們預計這些挑戰可以在未來兩到四年內得到有效解決。”
加州大學洛杉磯分校電氣與計算機工程學教授莫娜·賈拉希 (Mona Jarrahi)雖然未參與這項研究，但她稱這是高頻電子領域的“一項突破性成就”。
Jarrahi 表示：“這一顯著進步不僅突破了太赫茲領域 CMOS 技術的極限，而且還實現了高輸出功率、低成本和緊湊整合的空前組合。”
“將這種出色的效能擴充套件到更高的太赫茲頻率仍然是許多研究人員正在應對的挑戰。電晶體的截止頻率、器件寄生和互連損耗等物理限制是更高頻率操作的主要制約因素。”
參考連結
https://spectrum.ieee.org/terahertz-waves
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