《电子技术应用》
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太赫兹技术应用进展
2017年电子技术应用第7期
武 帅,屈 浩,涂 昊,冯 辉
博微太赫兹信息科技有限公司,安徽 合肥230088
摘要: 近年来太赫兹技术的高速发展为太赫兹技术应用提供了基础。太赫兹以其高频率高穿透性以及低光子能量等优势,在多个领域受到了重点关注,并在多个具体的应用方向上实现了初步的探索。着重讨论用于高速率高带宽通信的太赫兹无线通信技术、用于生物化学物质检测研究以及用于医学领域的太赫兹光谱成像技术、用于无损探测系统的光谱成像以及谱分析技术、用于安全检查领域的太赫兹人体成像技术等太赫兹技术应用领域的进展,并对应用中存在的挑战进行了简要总结。
中图分类号: TN249;O441.4
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.199701
中文引用格式: 武帅,屈浩,涂昊,等. 太赫兹技术应用进展[J].电子技术应用,2019,45(7):3-7,18.
英文引用格式: Wu Shuai,Qu Hao,Tu Hao,et al. Progresses towards the application of terahertz technologies[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(7):3-7,18.
Progresses towards the application of terahertz technologies
Wu Shuai,Qu Hao,Tu Hao,Feng Hui
Brainware Terahertz Information Technology Co.,Ltd.,Hefei 230088,China
Abstract: Science and technologies based on terahertz radiation have developed rapidly over the recent decades, which inspires the application attempts and research of terahertz technologies in several fields. Compared with the microwave or infrared waves, terahertz waves are of higher frequencies and lower photon energy. A variety of dielectrics are transparent with the terahertz radiation. Status and progresses in the field of terahertz communication, biological and medical application, non-destructive testing, and defense and security imaging are discussed in this work, as well as the challenges for real-life applications.
Key words : terahertz communication;biomedical science;non-destructive testing;security scanning

0 引言

    太赫兹波[1]一般指频率范围介于0.1 THz~10 THz,波长处于30 μm~3 mm之间的电磁波。在太赫兹技术领域前期的发展中,其应用一直受到没有高功率太赫兹源以及高灵敏度探测器的制约。近年来随着技术的发展,太赫兹技术以及太赫兹器件的技术水平有了快速的发展,这也使得太赫兹技术的应用得到了极大的推进,应用领域得到了拓展。太赫兹波频率位于微波以及可见光之间,因此相比于其他频段的波,太赫兹波有着自己独特的特点,这些特点也是太赫兹技术应用的出发点。太赫兹波具有以下几条特点:

    (1)高穿透性:某些对于光学波段不透明的物质对于太赫兹波段是透明的,例如纸张、塑料以及布料等。太赫兹的非接触式无损检测、对于信件以及人体的安全检查成像均利用了太赫兹的这一特性。

    (2)物质存在特定的太赫兹特征谱:有机大分子的大幅度振动以及分子之间相互作用等会存在特定的太赫兹光谱,可以利用这种特征谱对物质以及物理化学过程进行特征识别。

    (3)光子能量低:相比于传统用于安全检查以及无损探伤的X射线,太赫兹光子能量要更低,此外相比于X射线无电离辐射损伤,这也使得其能够提供更绿色更健康的使用环境。

    (4)高极性分子强吸收:高极性分子(例如水)对于太赫兹波具有强吸收效应,因此太赫兹可以用于生物体样本甚至是活体组织的成像检测,用于分析非正常皮肤含水量的皮肤疾病组织,以及表皮癌症组织的识别。

    (5)高带宽:由于现代通信以及雷达技术的发展以及需求的不断提高,电磁频谱资源已经成为战略资源。目前微波毫米波的资源已经分配完成,太赫兹频段具有非常高的带宽,这也使太赫兹用于通信能够实现更高的带宽,其安全性也优于传统的微波通信。

    由于太赫兹波具有以上的特征,其已经成为目前电子信息领域的重要研究方向和多个应用领域的关注重点。目前受到普遍关注的太赫兹的应用领域及其主要优势主要为如下几个方面:(1)太赫兹通信:其主要优势为高速、高容量、高保密性;(2)成分分析以及物质识别:主要利用了大分子物质的太赫兹特征指纹谱;(3)生物以及医学:利用太赫兹光谱超快的时间分辨实现脱氧核糖核苷酸(DeoxyriboNucleic Acid,DNA)以及蛋白质的特征检测以及超快物理过程研究;(4)安全检查:利用太赫兹的穿透特性实现太赫兹人体以及信件安检;(5)无损检测以及质量控制:主要利用的是太赫兹安全无害且可穿透包装材料进行高分辨成像的特征。下面分别从太赫兹生物医学研究、太赫兹无线通信、太赫兹无损检测以及太赫兹公共安全检查四个方面介绍太赫兹应用技术的进展。

1 太赫兹通信

    Edholm带宽定律[2]表明,无线通信的带宽需求随时间增长非常快。未来无线通信的发展追求的正是高带宽、高容量以及高速度。太赫兹波段高频的特性使得其天生具有易于实现大带宽的优势。此外,由于传统通信方式以及第五代通信系统的发展,微波以及毫米波频段的频谱资源已基本分割,因此需要探索太赫兹波段以拓展通信系统的可用频率以及实现高达100 Gb/s以上的传输速率。使用太赫兹频段作为通信系统的载波利用了其频带内存在很高的绝对带宽,地面上适合短距离高速的应用场景以作为点对点的解决方案。由于太赫兹频率高于微波,太赫兹波束在自由空间传播中受到的散射会更弱,因此太赫兹通信通常是点到点的沿视线传输。在卫星以及空间站中由于没有了大气对于太赫兹的衰减,能够利用太赫兹作为星间组网的解决方案。太赫兹通信系统的安全性主要体现在其高度指向性的波束,将能够探测到太赫兹信号的区域降至最低,这降低了通常利用微波通信的低指向性以及波束旁瓣进行监听的可能性,也降低了红外通信监听空气中散射信号的问题。

    日本电信公司采用光电结合的方式开发120 GHz无线通信系统,在磷化铟(InP)、高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)工艺发展的基础上,开发了基于固态电路芯片的太赫兹通信系统。日本电报电话公共公司(Nippon Telegraph and Telephone Public Corporation,NTT)进行了包括BPSK(Binary Phase Shift Keying)[3-5]等多种调制方式在内的高速太赫兹无线通信研究,实现了高速基带信号QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)调制解调系统,实时最高传输速率达到11.1 Gb/s[6],误码率低于10-10,传输距离为170 m。此外该团队还实现了基于ASK(Amplitude-shift Keying)调制的120 GHz无线通信系统[7],传输距离为5.8 km,码率为10 Gb/s。

    德国学者于2004年已经实现基于300 GHz太赫兹波作为载波的50 cm距离模拟调制传输[8],2013年利用光电系统实现距离20 m、速率100 Gb/s的点对点单路太赫兹无线传输[9],2015年开发了50 nm和35 nm HEMT工艺实现的IQ(I:in-phase,同相;Q:quadrature,正交)调制解调器单片式微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit,MMIC)芯片,采用QPSK调制方式,传输距离为850 m,码速率为64 Gb/s[10],图1为此系统的系统架构。最近在实验室环境下,还实现短距离传输的300 GHz通信系统[11]

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    目前太赫兹通信面临的问题主要是大气中的水蒸气对于太赫兹的吸收效应,因此太赫兹通信系统通常用于短距离的点对点高速通信。而对于空间中的应用,由于没有了大气对于太赫兹波的吸收效应,可以用于星际通信甚至空间组网等。太赫兹通信系统的超大数据吞吐量,也对信号处理软硬件提出了更高的要求。此外,从太赫兹技术发展来说,需要继续开发用于太赫兹通信的高效率的太赫兹源以及调制解调芯片。

2 太赫兹生物与医疗研究

    太赫兹技术在生物医疗领域的应用主要分为宏观以及微观两个方向。宏观的生物学以及医学应用大多利用水分子对于太赫兹波段辐射的强吸收效应,通过分析不同区域反射或者透射的太赫兹波的对比度来实现对样品的成像。对于微观生命科学方向,生物分子整体结构与它们在太赫兹波段的光谱性质的高度相关性是太赫兹时域光谱技术应用于生物医学领域的重要理论基础。由于生物大分子的构型构象等特征能够决定集体振动模式,这种振动模式的特征频率位于太赫兹波段。太赫兹时域光谱技术能够测量振动模式对应的吸收谱,进而分析大分子的特征。此外利用具有飞秒级别时间分辨的太赫兹时域光谱技术,还能够对于大分子的相互作用等其他过程中产生的构象变化进行动态分析。太赫兹对于宏观生物医学研究领域,主要是利用了不同状态的组织中含水量不同。高极性的水分子对于太赫兹具有很强的吸收效应。应用上通常通过分析照射到组织上反射或者透射的太赫兹强度相位等特征的不同,从而分析得到对应含水量以及结构等信息。虽然太赫兹能够穿透皮肤的深度只有几毫米,但这已经足够对于原发于上皮组织的皮肤病以及癌症进行检查以及研究。

    用于生命科学以及医学研究的太赫兹成像系统的技术主要为太赫兹时域光谱相关技术[1]。简单来说,太赫兹时域光谱技术采用脉冲激光照射太赫兹发射源以产生高频太赫兹信号,由于不同物质对于太赫兹的响应不同,能够通过分析样本透射或者反射的太赫兹信号的强度、谱特征等信息来实现对目标的检测,太赫兹无损检测也经常用到时域光谱技术。图2为太赫兹时域光谱系统的原理框图。1995年首次利用二维扫描平移平台以及太赫兹时域光谱仪实现对于树叶以及芯片等样品的扫描成像[12],从成像结果上能够清晰观察到叶片脉络以及芯片内部构造信息,为太赫兹技术在生物医学以及无损检测领域奠定了基础。

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    由于水对于太赫兹的强吸收作用能够精细地表示组织的含水量,最近的研究发现盐[13]、蛋白质以及DNA含量能够反映到其对于太赫兹频率响应以及对于太赫兹的吸收强度的变化。此外,蛋白质结构例如配体结合以及变形等,能够导致对于太赫兹吸收强度的改变[14]。因此太赫兹除了能够检测病变组织以及正常组织的含水量的区别以外,还能够反映蛋白质结构的变化或者细胞中盐以及DNA含量的变化。

    太赫兹技术在医学领域应用最具代表性的为TeraView公司的太赫兹医学成像仪系列[15]。目前国际上利用其太赫兹设备实现了多种应用,例如:对于表皮损伤组织的检测、上皮癌症组织的识别以及特征检测、癌症组织特异性分析等。图3为活体皮肤癌组织光学图像以及太赫兹光谱成像结果,从结果中可以看出,相较于正常组织,癌变组织具有更高的反射率,并且时域光谱成像系统能够实现对于深度信息的成像。用于医疗领域的太赫兹光谱成像技术通常采用反射式体制,这种体制使活体检测成为可能。这也进一步推进了太赫兹技术向实际医疗应用的发展。除了上述应用以外,太赫兹技术还应用于皮瓣存活情况的早期诊断、糖尿病足的诊断以及烧伤程度评估等多个方面。

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    太赫兹技术在生命科学以及医疗领域的是一个新兴的分支。其用于真正的医疗还需要进一步提高对于微观生化过程以及宏观的组织特征在太赫兹波段内反映的理解。从技术方面,由于水的吸收效应过强,会掩盖了其他物质的自身特性,因此需要提高设备的灵敏度或增加源的发射功率。从经济角度,需要降低设备的生产以及使用成本,开发更加适用于医疗领域并能够得到医疗管理机构认证的太赫兹设备。

3 太赫兹无损检测

    无损探测涉及生化研究、质量控制以及安全检查等多方面应用需求,如对于制药工业的药物包层检测、油画的检测与鉴别、涂层测试、食品异物检查、邮件危险品鉴别等。采取的技术手段主要有被动式以及主动式太赫兹成像,以及太赫兹时域光谱技术。太赫兹成像主要利用太赫兹对于介电材料的穿透性,以及不同材质对于太赫兹波的吸收以及反射性能不同,通过分辨所成太赫兹图像的对比度区别来进行无损探测。

    太赫兹技术能够应用于对于雷达天线罩结构分层、天线罩的结构缺陷、天线罩进水等缺陷的检测,以及针对航空用泡沫绝缘材料中存在的缺陷以及脱粘等进行无损检测[16]。图4为采用反射式太赫兹时域光谱成像技术对于航天飞机用玻璃纤维材料的无损检测结果。成像区域为黑色框选区,白色虚线框内为进行4 min 440 ℃燃烧处理。从成像能够反映肉眼很难观察到的材料损伤。对于复合材料,太赫兹能够对其涂层的残留以及涂层缺陷等进行无损探测。反射式探测技术还能够用于集成电路封装中出现空隙的探测[17]。无损检测还用于食品药品的质量控制,例如利用太赫兹成像对于制成视频中外来物的检测以及药品涂层质量分析。太赫兹时域光谱技术还可用于对于艺术品的无损检测,例如对于壁画底画以及漆层的分析、油画艺术品结构以及缺陷分析等[18]。太赫兹光谱技术还可以利用不同物质结构的特征谱进行无损检测以及物质识别,例如上一部分介绍的对于基因以及蛋白质结构分析,以及能够用于安全检查的爆炸物特征识别以及检测[19]

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4 太赫兹安全检查

    人体的安全检查是传统安检模式中的薄弱环节,传统模式是配以金属探测器手动检查。这种检查模式对于藏匿于衣物以下的体积较小的危险品,特别是非金属违禁品的检出率很低。由于太赫兹能够穿透通常的衣物,利用太赫兹成像的技术手段能够对人体藏匿于衣物以下的危险品进行成像,进而做到对于人体的安全检查。此外考虑到公众健康因素,前期发展的弱光子人体安检相比于此前曾经在欧美使用的X光背向散射安检仪,太赫兹安检没有电力辐射,安全无害。

    近年来利用毫米波以及太赫兹的低光子能量以及对于衣物的穿透性,发展了毫米波以及太赫兹主动式以及被动式人体成像安全检查系统。主动式太赫兹人体成像技术利用雷达成像原理,通过太赫兹收发阵列实现对于人体的扫描并经过信号处理实现对于人体的成像,利用对于危险品的三维成像以及与人体反射率的不同而进行违禁品的识别。被动式太赫兹人体成像技术利用高灵敏度太赫兹探测器阵列,被动接收人体自身辐射的太赫兹波。由于违禁品对于人体辐射的太赫兹波有吸收或者反射效应,能够从人体太赫兹图像中通过图像中信号强度对比进行违禁品识别。主动式以及被动式太赫兹技术各有特点,因此其应用场景也不同。相比于被动式成像技术,主动式成像技术能够实现更高的空间分辨力,成像区域环境温度不会对成像造成影响。但其信号处理相对复杂,图像处理以及违禁品识别难度高,成像的实时性差,通常需要被检查人的配合程度也更高。被动式成像技术信号处理相对简单,能够做到高速的人体扫描成像,对于人体完全没有太赫兹辐射。但相较于主动式成像技术,其空间分辨力差,对于环境温度有很高的要求。由于上述优缺点,基于主动式成像技术的设备主要用于对于安检水平要求高而通过率要求不高的精细检查,如机场、监狱等。基于被动式成像技术的设备常用于通过率要求高的粗检,例如地铁等场景。

    美国、德国、芬兰等多个国家近年来都在开展利用低温超导辐射热计研制太赫兹远程成像仪的相关研究,并形成了一些有代表性的样机,例如德国光子学技术研究所研制的350 GHz超导TES结太赫兹成像仪等。其成像区域是20 m~30 m,视场为1 m×1 m左右,分辨率在1~3 cm左右[20]。该成像仪采用超导探测器阵列,利用被测目标的热辐射实现对目标的被动式成像,采用超导探测器对于仪器本身提出了更高的要求,其开关时间、功耗等系统指标距离用户要求尚有差距。英国Digital Barriers公司研发的ThruVision系列太赫兹成像仪的工作频段为250 GHz附近,采用线性混频器阵列配合准光扫描装置,该成像仪能够实现对最远约15 m处目标的被动式成像。博微太赫兹信息科技有限公司自主研发的TeraSnap太赫兹人体安检成像系统(图5)能够实现空间分辨力1.5 cm、图像帧率12帧/s的视频级太赫兹成像。该系统已经商用于多个车站、地铁、公安检查站等,并装备于上海地铁,在2018年国家进出口博览会上应用并成功检查出火机、管制刀具等违禁品,极大地提高了安检的效率。

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    高灵敏度的太赫兹探测器阵列以及光学扫描结合是太赫兹安检成像的发展趋势。因此太赫兹在安检领域的应用依赖于集成度更高、灵敏度更高的探测器芯片阵列的研制。太赫兹波段的探测器模块目前价格高,因此研发价格更低的太赫兹探测系统能够降低太赫兹安检技术门槛,推广太赫兹技术的应用。

5 结论

    本文从太赫兹区别于可见红外光以及毫米波的主要特征入手,分析了太赫兹在高速高带宽通信、生命科学研究以及医疗领域、无损检测领域、安全检查四个领域中的主要应用进展。太赫兹具有高穿透性、低光子能量、高带宽等特点,在太赫兹技术的应用中,多以太赫兹的特点为出发点。根据其大带宽高频率等特点,可以用于超高速的无线通信系统;利用其穿透性的特点,可以应用于表层生物医学以及无损检测成像的太赫兹光谱成像系统;根据大分子在太赫兹波段具有特征谱的特点,能够对生物化学过程以及无损检测中的物质进行光谱识别;根据其穿透性以及高分辨的特点,可用于人体安全检查成像的太赫兹安检系统。展望太赫兹技术的发展,目前正处于太赫兹技术的快速发展期,高性能低成本的太赫兹源以及探测器正在以极快的速度发展,太赫兹技术将继续在上述四个领域以及其他新兴领域有更加深入以及广泛的发展。

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