1.3 THz通信器件

1.3.1 半导体器件

高频环境对半导体技术提出了严格的要求。在相同情况下，高频将使得噪声系数和发射机效率降低。THz的系统性能会受到有源器件和无源器件性能的影响。在过去的20年中，半导体技术得到了显著的发展，可以支持大于THz的应用。对于器件的选择，需要考虑传输速率、成本或数字集成能力等多个参数。THz器件的实现包括固态电子方法与光子方法。光子方法主要针对THz波段的高频；固态电子方法可以在较低波段提供解决方案。

1.固态电子方法

固态电子方法主要包括硅基CMOS、SiGe、InP、GaAs、GaN与石墨烯等。THz电子电路可以工作的最大频率取决于使用给定固态工艺技术的晶体管的最大频率。

在消费市场的推动下，CMOS技术经历了连续的栅极宽度缩放，同时作为副产品提高了MOSFET的固有速度。对于小于45 nm的CMOS节点，由于栅极和接线电阻缩放，降低了全布线n-MOSFET的最大振荡频率，影响了CMOS技术在THz中的发展潜力。SiGe HBT技术的出现解决了MOSFET的低功率处理能力带来的挑战，为III-V MMICs提供了一种低成本替代品。基于SiGe的晶体管可工作的最大振荡频率和截止频率分别达到798 GHz和479 GHz。SiGe HBT在THz频率下具有良好的线性、高增益、低噪声和硅兼容性。尽管在一些需要高发射功率的应用中，SiGe-HBT也可以在100～300 GHz波段中发挥重要作用，但是，HBT有限的功率增益和不足的晶体管击穿电压阻碍了它在500 GHz以上的高功率应用。优化SiGe-HBT热预算的主要挑战为CMOS的集成，BiCMOS技术将高性能SiGe-HBT与用于高频应用的特殊无源器件集成到高集成度的COMS工艺中。目前，BiCMOS已成为汽车、通信和仪器仪表行业现有高频产品的主流制造平台。

GaAs是一种化合物半导体材料，GaAs具有禁带宽度大、电子迁移率高的特性，并且为直接间隙，发光效率高，是当前光电领域应用的主要材料。GaAs通常使用HEMT与HBT技术。

GaN基晶体可以在高路径损耗下实现高增益功率放大器的需求，适用于高功率、高温的应用场景。GaN-HEMT具有3.3 MV/cm左右的高电压特性和高电子速度，是高电压、高功率毫米波和THz应用的深入研究领域。虽然射频GaN在5G中已较为成熟，但是6G中希望将GaN-HEMT的栅极长度进一步缩小，从而降低允许通过的最大电源电压。比利时研究所Imec于2020年1月在300 mm Si衬底上形成了GaAs-HBT，并在200 mm Si衬底上成功形成了与CMOS兼容的GaN器件。硅上集成GaN的最新进展将进一步推动GaN在无线通信中的应用。

InP在亚THz波段有良好的输出功率、噪声系数和效率。InP有更好的集成能力，比GaAs多4到5个金属层。InP基晶体管有较高的射频品质因数，将InP材料的材料特性，即量子阱沟道和p掺杂基极中的高电子迁移率、限制载流子的异质结偏移及实现低欧姆接触电阻率的高可掺杂水平，与晶体管横向和纵向几何形状结合，可以实现HEMT和HBT的最大振荡频率超过1 THz。基于InP-HBT的放大器可以工作在高于0.6 THz的条件下。InP-HBT可以结合其高可用驱动电流，是亚毫米和THz实现功率放大的理想选择。与InP-HBT相比，InP-DHBT可以实现更宽的带宽，同时提供基于硅锗的晶体管两倍的击穿电压。InP-HEMT工作振荡频率范围为600～1200 GHz，基于InP-HEMT的THz集成电路的工作频率能够达到850 GHz，InP-HEMT还可以在1THz实现功率放大功能。InP的缺点是其相对较高的制造成本，以及复杂模拟和数字功能的适度集成。通过与Si共集成与添加更多的金属层，InP器件可以实现更高的集成度。InP等高迁移率材料发展可能会进一步提高THz范围，在6G中实现开发大规模部署，并且提高高传输速度。

目前用于THz器件设计的最新材料是石墨烯。石墨烯具有高导电性和导热性，并具有等离子体效应。石墨烯是二维材料，允许信号以THz频率传播。石墨烯的另一个优点是支持THz表面SUPP的传播。在HEMT的漏极和源极之间施加电压使电子在通道中加速，电子运动在石墨烯栅极上形成表面等离子体激元。可以基于石墨烯设计THz波调制器，该类调制器的工作原理是基于对石墨烯导电性的动态控制能力实现幅度调制。

2.光子方法

光子技术包括基于光混合器或光电导天线的光学下变频系统、UTC-PD和QCLs，可用于THz通信中。光子技术有许多优点，提供了固有的高可调性与可用的调制带宽，可以通过低损耗光纤远程驱动THz发射机。基于光子技术的多载波、灵活载波切换和各种复杂调制方案相对于电子技术更容易实现。光子技术可以提高THz无线通信系统的容量，并且实现无线链路与光纤链路的无缝连接。通过使用长光纤，可以分离信号调制与THz发射的功能，为下一代网络提供灵活性。

QCLs是一种基于多量子阱子带间跃迁的单极性半导体激光器，激射频率位于中远红外及THz波段。在1～5 THz激射频率范围内，THz-QCL是最有效的电泵浦THz辐射源，具有结构紧凑、易集成、输出功率高和转换效率高等优点，在THz通信链路中有巨大的潜力。20世纪70年代QCLs概念出现后，学者便认为这种装置可以在THz范围内工作，但直到2002年，才真正实现第一台THz-QCL。在过去的几年中，QCLs性能不断提高，最高工作温度可达250K，峰值输出功率约为1W。SiGe结构显示出越来越有前途的子带间响应和传输特性，成为下一代THz-QCL有源区的潜在候选材料。另外，类似石墨烯的2D材料可以提供极端的等离子体约束，可能成为超小型THz-QCL谐振器的可行解决方案。将GaN和InP结合起来，该器件能够在THz频率下工作。在输出功率方面及工作温度指标上，INP基THz-QCL都逊色于GaAs基THz-QCL。GaN材料相比于GaAs具有更高的纵光学声子能量，有望进一步提高THz-QCL的工作温度，甚至实现在室温下工作。

光电二极管可以将光信号转换成射频信号，并在射频域进行传输，实现光学和电子学之间的融合。在多种光电二极管中，UTC-PD可以提供更高的灵敏度、宽带宽和高饱和功率，将在无源光网络的光域和射频接口中发挥关键作用。微波光子系统中，探测器的功率处理和非线性效应非常重要，产生的载流子对探测器内电场产生限制。UTC-PD通过利用载波速度过冲效应来提升功率处理能力。UTC-PD在通信和传感应用中被广泛用于产生THz波。目前，UTC-PD已被证明可以在350 GHz下实现100 Gbps的数据速率，在300 GHz下实现50 Gbps的数据速率。

不同半导体材料和设备在THz波段的特点见表1.2。

1.3.2 天线

THz通信系统需要采用定向天线和超大规模天线阵列来获得高增益。相比传统微波频段，THz频段对天线的结构工艺要求更高。THz波段的天线需要达到毫米级别，制造和测量微型天线需要考虑合适的材料、技术与设备，这将是一个具有挑战性的问题。几种传统的天线设计，包括喇叭天线、反射面天线和透镜天线可以用于1 THz以下的通信。在THz频率下，完美电导体的欧姆损耗将随着频率的增加而增加，而电介质和金属界面可以实现SUPP。通过设计合适的天线材料可以减轻高频对天线设计带来的问题。

纳米材料也可用于设计新型天线，石墨烯支持THz频率的SUPP波传播，以THz频率对电磁波进行有效辐射。石墨烯中SUPP波的速度几乎是真空中速度的两倍。石墨烯的性能可以通过化学掺杂的方法来提高。因为石墨烯的导电性取决于化学掺杂、费米能和电子迁移率，可以通过材料掺杂来调节工作频率。例如，将杂质引入本征半导体中可以调制电、光和结构特性。与铜和碳纳米管相比，石墨烯可以制造具有更小尺寸和更高方向性的天线。其中，等离子体石墨烯天线的尺寸可以达到纳米级，这意味着此类天线可以用于纳米设备。

1.3.3 放大器

由于辐射功率和接收功率较低，THz信号需要放大才能实现远距离传播。在THz波段工作的放大器必须支持足够宽的频率范围。基于固态电子器件设计的放大器可以用于低THz频率区域，但是6G网络中使用的频率将远不止在低THz频段，因此需要进行更高频段放大器的设计工作。放大器包括功率放大器与低噪声放大器。其中，功率放大器重点讨论输出功率，低噪声放大器重点关注噪声系数。但是在完整的收发器设计中，还需考虑线性、信号组合、功耗、频谱效率和状因子等因素。

从放大器的饱和输出功率与频率的关系来看，InP要优于CMOS。另外，当工作频率超过100 GHz时，SiGe双极晶体管的性能介于CMOS和InP之间。基于InP-HBT的放大器可以工作在高于0.6 THz的条件下。基于InP-HBT的功率放大器在140 GHz的频率下取得了高功率、高效率和理想功率密度。与InP-HEMT相比，具有宽带隙的InP-DHBT在给定的电流增益截止频率下具有更高的击穿电压。GaN-HEMT技术也可应用于100 GHz以上的功率放大器设计。90 nm GaN工艺提供约320 GHz的最大频率，并提供约8 dB的最大有效增益。

伪差分功率放大器架构利用亚四分之一波长平衡与不平衡变换器提供输入或输出单端至差分转换。在B类偏置下，伪差分功率放大器可以在140 GHz时达到超过30%的峰值效率，同时提供超过17 dBm的输出功率。多级功率放大器提供20 dB以上的增益，效率为25%。多级功率放大器的关键特性是低损耗传输线功率组合网络、通用基础架构和驱动器扩展，以保持良好的天线效应。

当多个信号同时放大时，由于非线性特性，放大器产生互调产物。互调产物降低了放大器的能效。除了互调产物，预期所设计的放大器还具有低噪声系数。噪声会影响接收机检测另一端小信号的灵敏度。噪声系数的任何下降都会直接影响功率接收范围，因此需要低噪声放大器。低噪声放大器的噪声系数主要受晶体管噪声性能的限制，晶体管噪声性能与工作频率和技术频率之比成正比。在实际的低噪声放大器设计中，噪声系数不能低于一个晶体管的最小噪声系数，因为低噪声放大器还存在其他噪声源。因此在通信中，受半导体物理限制的噪声性能也是一个主要因素，随着频率的提高会限制通信距离。

1.3.4 收发器

由于THz链路传播环境的独特性，THz频段的收发器架构是需要考虑的关键影响因素之一。收发器架构的设计在一定程度上也会影响THz波段的潜力。THz架构应能克服严重的路径损耗，从而实现高灵敏度和高功率增益。此外，收发器电路在未来还需要实现多频段如THz、毫米波和Sub-6G Hz频段的共存。

对于固态THz通信系统，难以设计高效的射频电路，如THz混频器、THz振荡器、THz放大器和THz天线，需要一种新的THz通信系统收发器架构设计，收发器必须能够在高频下工作，确保充分利用非常广泛的可用带宽。为了使高频增益最大化，需要使用缩小特征尺寸的收发机，以低电源电压实现可靠性，降低可实现的发射机输出功率。在THz频段，由于收发机必须处理由于THz波段的高吸收和分子损耗造成的高路径损耗，因此需要考虑高功率、高灵敏度和低噪声系数的问题，可以利用SiGe、GaN、GaAs和InP技术进行收发器设计，但设计人员必须考虑移动网络中有限的功率增益。另外，THz收发器中的散热面积非常小，可以通过稀疏的阵列解决该问题。

相对于电子系统，光子信号被调制和处理的极高速度对THz波段很有利。光子技术在发射机中的使用驱动着THz通信性能的提升，光子系统可以融合在未来光纤与无线通信网络中。此外，可以使用电子技术与光子技术的混合组合，例如，发射机和接收机就是分别基于电子和光子技术的。然而，电子和光子技术异构集成的复杂性较高。UTCPD具有高输出饱和电流、快速响应时间和高集成度的特点，这使其成为性能良好的THz发射机的理想选择。

纳米材料的进步体现在为用于THz通信的等离子体装置提供新方式，如石墨烯。纳米材料器件很小，可以在THz频率下高效工作，并可以支持很大的通信带宽。在混合石墨烯与III-V半导体器件中可以直接产生THz信号，并且没有谐波造成的能量损失。因此，将纳米材料应用于收发器设计能大幅度提高THz通信效率。

数字芯片上有一些关键的模拟构建模块。随着6G要求100 Gbps数据传输速率与超高的射频带宽，模数转换器的设计非常关键。经典接收机架构将射频信号降至基带，因此基带带宽是射频带宽的一半。将该模拟基带信号无混叠地转换到数字域需要至少两倍于模拟基带带宽的采样时钟频率。例如，在64 QAM中，有效位数应使量化引起的信噪比限制至少比给定调制方案所需的信噪比高10 dB，还需要额外的位数来支持信噪比与数字化模拟信号中的峰值要求。为了满足这两个要求，结合10 GHz以上的采样速率，需要8位左右的分辨率，这对模数转换器的功耗提出了挑战。中等分辨率的高速模数转换器大多采用交错架构实现，交错架构使用通过逐次逼近寄存器或流水线架构实现的子模数转换器。如上所述，模数转换器通常与数字调制解调器位于同一芯片上，CMOS的模拟性能将是半导体技术的关键。

目前，GaN基、GaAs基和InP基收发器的传输距离有限，需要为THz频段设计和分析新的收发器架构。不完美的硬件特性，包括非线性放大器、相位噪声、有限的调制指数等都会降低信号的质量，对天线和波形的设计及节能信号的处理提出了挑战。

1.3.5 调制器

THz调制器的特性，包括幅度和相位调制器，在量化THz通信系统的效率方面起着重要作用。这些特征包括但不限于幅度调制器中的调制速度和深度，以及相位调制器中的相移量。目前的调制器设计所采用的架构和使用材料，限制了调制器实现超高速及实现高效THz无线系统的能力。这是因为现有的调制器不允许对THz波段进行电磁辐射控制，这是实现调制器特性高速控制所必需的。因此，这就要求进行研究干预，开发智能、可调的超高速调制器，其响应时间约为1 ps，以实现高效、可靠的THz无线通信。