混频器

p　　中国电子科技集团有限公司第十三研究所专用集成电路国家级重点实验室与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院纳米器件与应用重点实验室再次合作，在高灵敏度石墨烯场效应晶体管(G-FET)太赫兹自混频(Homodyne mixing)探测器的基础上，实现了外差混频(Heterodyne mixing)和分谐波混频(Sub-harmonic mixing)探测，最高探测频率达到650 GHz，利用自混频探测的响应度对外差混频和分谐波混频的效率进行了校准，该结果近期发表在碳材料杂志Carbon上(Carbon 121, 235-241 (2017))。/pp　　频率介于红外和毫米波之间的太赫兹波(Terahertz wave)在成像、雷达和通信等技术领域具有广阔的应用前景，太赫兹波与物质的相互作用研究具有重要的科学意义。高灵敏度太赫兹波探测器是发展太赫兹应用技术的核心器件，是开展太赫兹科学研究的重要手段与主要内容之一。太赫兹波探测可分为直接探测和外差探测两种方式：直接探测仅获得太赫兹波的强度或功率信息 而外差探测可同时获得太赫兹波的幅度、相位和频率信息，是太赫兹雷达、通信和波谱成像应用必需的核心器件。外差探测器通过被测太赫兹信号与低噪声本地相干太赫兹信号的混频，将被测信号下转换为微波射频波段的中频信号后进行检测。与直接探测相比，外差探测通常具备更高的响应速度和灵敏度，但是探测器结构与电路更加复杂，对混频的机制、效率和材料提出了更高的要求。/pp　　天线耦合的场效应晶体管支持在频率远高于其截止频率的太赫兹波段进行自混频探测和外差混频探测。前者是直接探测的一种有效方法，可形成规模化的阵列探测器，也是实现基于场效应晶体管的外差混频探测的基础。目前，国际上基于CMOS晶体管实现了本振频率为213 GHz的2次(426 GHz)和3次(639 GHz)分谐波混频探测，但其高阻特性限制了工作频率和中频带宽的提升。/pp　　石墨烯场效应晶体管因其高电子迁移率、高可调谐的费米能、双极型载流子及其非线性输运等特性为实现高灵敏度的太赫兹波自混频和外差混频探测提供了新途径。前期，双方重点实验室秦华团队和冯志红团队合作成功获得了室温工作的低阻抗高灵敏度石墨烯太赫兹探测器，其工作频率(340 GHz)和灵敏度(～50 pW/Hz1/2)达到了同类探测器中的最高水平(Carbon 116, 760-765 (2017))。此次合作进一步使工作频率提高至650 GHz，并实现了外差混频探测。/pp　　如图1所示，工作在650 GHz的G-FET太赫兹探测器通过集成超半球硅透镜，首先通过216、432和650 GHz的自混频探测，验证了探测器响应特性与设计预期一致，并对自混频探测的响应度和太赫兹波功率进行了测试定标。在此基础上，实现了本振为216 GHz和648 GHz的外差混频探测，实现了本振为216 GHz的2次分谐波(432 GHz)和3次分谐波(648 GHz)混频探测。混频损耗分别在38.4 dB和57.9 dB，对应的噪声等效功率分别为13 fW/Hz和2 pW/Hz。2次分谐波混频损耗比216 GHz外差混频损耗高约8 dB。/pp　　此次获得混频频率已远高于国际上已报道的石墨烯外差探测的最高工作频率(～200 GHz)，但中频信号带宽小于2 GHz，低于国际上报道最高中频带宽(15 GHz)。总体上，目前G-FET外差混频探测器性能尚不及肖特基二极管混频器。但是，无论在材料质量还是在器件设计与工艺技术上，都有很大的优化提升空间。根据Andersson等人预测，G-FET的混频转换效率可降低至23.5 dB，如何达到并超越肖特基二极管混频探测器的性能指标是未来需要重点攻关的关键问题。/pp　　图3所示为基于432 GHz的直接探测以及二次谐波探测的透射成像图对比，分谐波探测时的透射成像显现出比直接探测更高的动态范围，可达40 dB。/pp　　该研制工作得到了国家自然科学基金项目(No. 61271157, 61401456, 61401297等)、国家重点研发计划(2016YFF0100501， 2014CB339800)、中科院青促会(2017372)、中科院苏州纳米所纳米加工平台、测试分析平台和南京大学超导电子学研究所的大力支持。/pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/c73fe96e-7527-4de4-8f95-ff4e6c2935aa.jpg" title="1.jpg"/　/pp style="text-align: center "图1：650 GHz天线耦合的G-FET太赫兹外差混频探测器br//pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/70869861-507f-4a27-91dc-64a7cf6c6185.jpg" title="2.jpg"//pp style="text-align: center "图2：(a)准光耦合的外差混频探测系统示意图 (b)216 GHz外差混频探测的中频频谱br//pp style="text-align: center "img src="http://img1.17img.cn/17img/images/201706/insimg/15463ac0-04f0-4c63-9091-fee1013ca466.jpg" title="3.jpg"//pp style="text-align: center "图3：(a)分别采用432 GHz直接探测和本振为216 GHz的2次分谐波探测对树叶进行的透射成像效果对比 (b)采用本振为216 GHz的2次分谐波探测对柠檬片的透视成像。/p

记者日前从中科院苏州纳米所获悉，该所成功研制出在室温下工作的太赫兹自混频探测器，从而填补了该类探测器的国内空白。　　据了解，作为人类尚未大规模使用的一段电磁频谱资源，太赫兹波有着极为丰富的电磁波与物质间的相互作用效应，不仅在基础研究领域，而且在安检成像、雷达、通信、天文、大气观测和生物医学等众多技术领域有着广阔的应用前景。目前，室温微型的固态太赫兹光源和检测器技术尚未成熟，众多太赫兹发射&mdash 探测应用还处于原理演示和研究阶段。室温、高速、高灵敏度的固态太赫兹探测器技术是太赫兹核心器件研究的重要方向之一。　　自2009年起，苏州纳米所秦华、张宝顺、吴东岷课题组就致力于太赫兹波&mdash 低维等离子体波相互作用及其调控研究。该团队在2009年年底取得突破性进展，在GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管的基础上研制成室温工作的高灵敏度高速太赫兹探测器，首次实现了对1000GHz的太赫兹波的灵敏检测。　　经过3年多的技术攻关，研究团队进一步突破了太赫兹天线、场效应混频和器件模型等关键技术，掌握了完整的场效应自混频太赫兹探测器技术。　　目前，苏州纳米所研制的太赫兹探测器探测频率达到800～1100GHz，电流响应度大于70mA/W，电压响应度大于3.6kV/W，等效噪声功率小于40pW/Hz0.5，综合指标达到国际上商业化的肖特基二极管检测器指标，并成功演示了太赫兹扫描透视成像和对快速调制太赫兹波的检测。　　据介绍，该项技术可进一步发展成大规模的太赫兹焦平面成像阵列和超高灵敏度的外差式太赫兹接收机技术，为发展我国的太赫兹成像、通信等应用技术提供核心器件与部件。

仪器信息网讯 2012年8月8日-9日，由中国仪器仪表学会、“太赫兹光电子学教育部重点实验室”、《现代科学仪器》编辑部主办的2012太赫兹科学仪器及前沿技术专题研讨会在北京紫玉饭店成功召开。本次会议的宗旨是为太赫兹科学仪器研制开发提供技术交流平台，为太赫兹仪器选购提供技术咨询，并为太赫兹仪器使用提供技术支撑。本次研讨会特别邀请到电子科技大学刘盛纲院士、天津大学姚建铨院士等太赫兹研究领域的多名专家学者做精彩报告，吸引了来自各科研院所、仪器公司的近100位代表参会。会议现场　　开幕式由太赫兹光电子学教育部重点实验室主任张存林教授主持，中国仪器仪表学会副理事长兼秘书长吴幼华先生，电子科技大学刘盛刚院士分别为大会致辞。中国仪器仪表学会副理事长兼秘书长吴幼华先生电子科技大学刘盛纲院士　　首先，吴幼华先生代表主办方对各位代表表示热烈的欢迎。并介绍到，太赫兹科学仪器涉及的领域很广，专业性很强，是非常重要的交叉前沿领域，其技术进步为技术创新、国民经济发展和国家安全提供了一个非常诱人的发展机遇。　　电子科技大学刘盛纲院士在致辞中指出，“重要的科学成就必须以实验研究为基础，在国际上重要的仪器设备是一流大学所必备的条件。近几年，中国也越来越多的认识到科学仪器的重要性。在过去的十几年中，日本人拿了6个诺贝尔奖，以色列拿了两个诺贝尔奖，我们相信中国一定会拿诺贝尔奖，但是不知什么时候。我们有很多好的思想，只是做不出实验结果来，我们国家要想成为科技大国，加强对仪器设备的支持是非常必要的。此外，中国的太赫兹技术发展非常快，也得到了国家自然科学基金委的大力支持，不过目前还存在一些问题，如投资不太集中等”。国家自然科学基金委员会信息科学部张兆田主任　　在开幕式中，国家自然科学基金委员会信息科学部张兆田主任还做了《信息优先资助领域及其基金资助工作》的相关报告。在报告中，张兆田主任介绍了信息科学的发展规律与特点，发展状况与未来发展趋势、重点优先发展领域等。其中，新型毫米波与太赫兹器件就是其优先发展的领域之一，其研究内容包括太赫兹核心器件及阵列检测器、微结构太赫兹功能器件；新型太赫兹探测技术等。此外，张兆田主任还介绍了信息科学部的部门设置、资助方针、资助格局、资助项目类型、项目受理评审过程等相关内容。首都师范大学物理系张岩主任　　此外，首都师范大学物理系张岩主任也介绍了太赫兹科学仪器及前沿技术专题研讨会的会议组织等相关情况。　　大会报告 技术发展篇太赫兹光电子学教育部重点实验室主任张存林教授报告题目：基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发　　张存林教授在报告中详细介绍了国家重大科学仪器设备开发专项“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”的相关情况。介于微波和红外之间的太赫兹是物理与信息领域重大科学技术问题，太赫兹波谱是反应分子结构和空间阵列的指纹谱。太赫兹时域光谱仪未来将向宽谱、高能量、小型化的方向发展，在科研及食品药品鉴定和检测方面具有很重要的应用价值和前景，对经济社会发展、民生改善具有很重要的支支撑作用。在市场方面，近三年来，已经有上百家应用单位有着明确的应用需求。据2010年度太赫兹市场报告的预期，太赫兹在医学、安全和制造业领域相关产品的经济效益到2020年将可达到数千万到数亿美元，市场总额可达到数十亿美元。张存林教授还介绍说按此推算，“基于飞秒激光的太赫兹时域光谱仪开发”项目完成后，若中国市场可占到10%的全球市场份额，预期经济效益也将达到数亿美元。由此，也将拉动中关村高科技示范区高端仪器制造业及相关产业产值约10亿元人民币/年。上海大学马国宏教授报告题目：太赫兹脉冲的产生及波前控制研究　　马国宏教授介绍到目前THz波的研究主要包括THz源、THz检测和THz传输等方面，要使THz波的研究成果得到广泛的应用，尤其是将THz技术应用到远红外光谱学中，有必要研究THz脉冲的波前控制以及各种THz光子学器件的工作原理，从而实现对THz辐射的人工调控。随后，马国宏教授介绍了上海大学超快光子学实验室近年来在THz波的产生、THz的主动和被动控制、THz光子学和THz自旋电子学等方面开展的一系列研究工作。其中，主要探讨了利用THz波与各种微结构相互作用实现THz波前的控制，包括THz偏振控制、抗反射、全吸收设计、THz全禁带光子晶体以及THz磁共振器件等。中科院紫金山天文台副研究员张文先生报告题目：太赫兹高灵敏超导热电子探测器技术　　张文先生谈到，太赫兹波段存在丰富的分子转动谱线和原子精细结构谱线，通过对这些分子谱线的高频率分辨率观测，可以研究天文、大气和深空探测等领域的重要科学问题。超导HEB混频器是1HTz以上灵敏度最高的相干探测器，已经成功应用到Herschel空间卫星、SOFIA天文台和地面APEX望远镜开展天文观测研究。张文先生所在系统改进了超导HEB热电子混频器的热点模型，深入理解其机制，率先实现了4K闭环制冷环境下的超导HEB混频实验；并研制国际上最高频率(5.3HTz)天线耦合超导HEB混频器，灵敏度率先突破5倍量子噪声极限。此外，张文先生还介绍了其课题组在太赫兹超导HEB混频器应用方面的研究工作。天津大学姚建铨院士报告题目：太赫兹技术及太赫兹仪器的发展趋势　　姚建铨院士在报告中介绍到，随着太赫兹科学技术的飞速发展，对太赫兹科学仪器也不断提出新的需求，不仅推动了太赫兹科学仪器的快速发展，也催发了太赫兹前沿技术的不断涌现。同时，太赫兹科学仪器的前沿技术也表征着太赫兹科学仪器的先进性和尖端性，引领着太赫兹科学仪器的进一步发展。在这一部分内容中姚建铨院士介绍了太赫兹技术国内外研究及应用概况，光学太赫兹辐射源研究及太赫兹功能器件-微结构材料的应用等方面的情况。并且指出，微结构光学材料在激光技术、THz技术等方面可望实现传输、源、开关、放大、滤波、调制、吸收、偏振等功能，有十分重要的科学价值及实际意义。如果将微结构材料施加各种场(电、磁、声、光、热、机械等)作用可望产生新现象、出现新机理、实现新功能、制成新器件。此外，姚建铨院士还介绍了基于法布里-珀罗干涉仪的THz波长测试法及THz傅立叶变换光谱仪的相关研究工作。首都师范大学赵国忠教授报告题目：太赫兹波产生探测及太赫兹时域光谱技术　　赵国忠教授谈到，对于太赫兹光谱应用来说，获得宽带太赫兹辐射至关重要，目前，实验室使用的宽带太赫兹辐射源以光整流和电导天线为主。随后详细介绍了基于飞秒激光的宽带光电导天线的设计、研制，光电导天线温控系统和太赫兹辐射测量装置的研制，光电导天线太赫兹辐射特性等方面的研究工作。另外，半导体表面太赫兹辐射可以提供方便的宽带太赫兹源，进一步研究非常必要。其中，富含缺陷的氮化铟有望代替砷化铟成为高效、实用的宽带太赫兹辐射源。此外，赵国忠教授还指出太赫兹发射光学的研究也有助于探索半导体表面和内部的载流子动力学。　　此外，北京理工大学胡伟东教授、哈尔滨工业大学(威海)田兆硕教授、中国计量科学研究院孙青博士等也就太赫兹技术现状及研究进展做了精彩的报告。北京理工大学胡伟东教授报告题目：Progress in the Terahertz Pulse 3D Imaging System (220GHz)哈尔滨工业大学(威海)田兆硕教授报告题目：THz激光F-P旋转透过率研究中国计量科学研究院孙青博士报告题目：太赫兹光谱与功率计量技术　　大会报告 应用篇首都师范大学沈京玲教授报告题目：太赫兹光谱技术在毒品检测中的应用研究　　沈京玲教授介绍到，太赫兹波能够用于毒品检测和识别是基于下列两个事实：多数毒品在太赫兹波段具有特征吸收；多数包装材料如纸张、织物、塑料、木头，对太赫兹波是透明的。将两者结合起来，使太赫兹技术非常适于进行毒品的无损检测应用。随后，沈京玲教授详细的介绍了所在课题组近年来在毒品检测识别方面的相关工作：应用太赫兹光谱和成像技术对毒品进行品种鉴定和含量分析，完成了确定毒品纯度和有效成分含量的理论和实验方法；对隐藏在信封和包裹中的毒品进行探查；建立了含有38种纯度在90%以上的毒品的太赫兹光谱数据库等。上海理工大学副院长朱亦鸣教授报告题目：基于太赫兹技术的药物分析与检测　　朱亦鸣教授介绍到，国内外现有药物检测技术手段无法有效的检测出假药，而且无法做到在线式检测。太赫兹波处于微波电子学与红外光子学的交叉、过渡区域，是被公认的有重要科学价值和巨大应用前景的频率窗口。太赫兹技术先后被列为“改变未来世界的10种技术”及“2011年六大类电子类新技术”之一，是分析分子有机功能基团最有效的手段。基于这些优势，朱亦鸣教授所在课题组利用时域太赫兹波谱系统对中西药做了相关检测，结果显示太赫兹光谱技术对各种药物鉴别率可达90%，扫描速度达到1s/片，可以做到无损探测及真正的在线检测和分析，并且结合HIPHOP模型，还可以进行药理基团的解析。中国石油大学(北京)赵卉博士报告题目：太赫兹技术在油气光学中的应用　　赵卉博士在报告中介绍说，油气光学是研究油气物质的光学性质、光在油气介质中的传播规律和光学技术在油气领域应用的科学。它是在石油与天然气工程、地球探测与信息技术、材料科学与工程、物理学、光学工程等学科发展与支持的基础上建立起来的一个新兴交叉学科。针对国家重大需求，并且基于太赫兹与油气物质相互作用的认知，赵卉博士所在课题组建设了以油气资源、石油化工为研究对象的太赫兹波谱与探测技术平台，开发了油品光学性能透射式测试装置，岩石光学性能透射式测试装置，基于对岩石有机质、干酪根、基础油、汽油等多种体系的太赫兹频段特征吸收带的认知，建立了石油化工产品太赫兹光谱特性和理化性能之间的关系，为太赫兹技术在油气领域的应用提供了实验基础。　　此外，中科院上海微系统所谭智勇博士、中科院工程物理研究院流体物理研究所助研朱礼国先生也就太赫兹技术的应用做了精彩的报告。中科院上海微系统所谭智勇博士报告题目：太赫兹量子器件及其成像应用中科院工程物理研究院流体物理研究所助研朱礼国先生报告题目：超快太赫兹光谱在研究太阳能光伏材料中的应用　　除了以上各位专家的报告之外，安捷伦科技(中国)有限公司叶伟斌先生，脉动科技有限公司陆明先生，先锋科技股份有限公司Albert Rsdo-Sanchez先生、Patrick F. Tekavec先生，顶尖科仪(中国)股份有限公司贺雪鹏先生也介绍了公司的产品特点及研发情况。安捷伦科技(中国)有限公司叶伟斌先生报告题目：安捷伦毫米波测试解决方案脉动科技有限公司陆明先生报告题目固体THz源和异步采样THz时域光谱系统先锋科技股份有限公司Albert Redo-Sanchez先生报告题目：Terahertz Instrumentation Status and Market Outlook先锋科技股份有限公司Patrick F. Tekavec先生报告题目：High Power THz sources顶尖科仪(中国)股份有限公司贺雪鹏先生报告题目：飞秒光纤激光器及其在太赫兹光谱学中的应用　　报告会之后，与会代表参观了首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室，相关工作人员为与会代表详细介绍了实验室整体概况，并就相关仪器及其研究的课题同与会代表进行了深入的沟通。与会代表参观太赫兹光电子学教育部重点实验室太赫兹光电子学教育部重点实验室部分仪器设备与会代表合影