太赫兹信号源的固态电路实现-回顾与展望-论文.pdf

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1、第34卷第1期杭州电子科技大学学报V01．34．No．12014年1月JournalofHangzhanDianziUniversityJan．2014doi：10．3969／j．issn．1001—9l46．2014．O1—001太赫兹信号源的固态电路实现一回顾与展望余志平，孙玲玲，余厉阳，黄声希(1．杭州电子科技大学电子信息学院，浙江杭州310018；2．美国麻省理工学院电机与计算机系，美国麻萨诸塞州02139)摘要：频率为0．3-3THz(太赫兹)信号源的固态电路实现是一个极具挑战、但又有重要应用(在生物医疗、成像与通信领域)的课题。该文以非受限于载流子渡越时间(n

2、ontransit—timelimited)手段产生该频段THz信号源为主要讨论内容，回顾了其物理机理，特征及技术上尚待改进的问题等。所涉及到的THz源实现方法包括：1)采用III—V族器件的基波振荡器；2)利用硅基CMOS振荡电路的高次谐波合成；3)高电子迁移率场效应晶体管(HEMT)沟道中等离子体波不稳定性；4)量子级联激光器(QCL：QuantumCascadeLaser)o关键词：太赫兹信号源；固态实现；等离子波；III-VHEMT；CMOS；量子级联激光器(QCL)中图分类号：TN401文献标识码：A文章编号：1001—9146(2014)0l一0001一l20

3、引言电磁波的频率范围涵盖了从无线电(长波段频率大约自9kHz起)到伽玛射线(频率10∞Hz，相对于空气中波长0．03A)(1A(埃)=0．1nlll(纳米))。这其间包括了红外(～30THz)，可见光(400～800THz)，及紫外(3×10THz)。通常用于通信的微波波段其频率范围为3—300GHz(相应于波长10cm至1mm)，而频段为3O～300GHz又称为毫米波(波长为1～10mm，即1mm至1cm之间)。在整个电磁波频谱中，无线电、微波的信号一般都可以用电学的方式产生(例如电子振荡器电路)，而频率在红外以上的光谱(我们习惯上称红外以上的电磁波频谱为光谱)则可以用

4、光学手段产生。现在比较困难(实际上是相当困难)的是产生频率范围为300GHz一3THz的信号，这里我们泛指为太赫兹信号，在某些文献中甚至被夸张地称为T射线(T—ray)。频率为3～30THz的信号也经常被认为是在太赫兹范围内，但在本文中将其归人为远红外频谱，不在我们目前的讨论范围之内。太赫兹信号(再强调一遍，我们这里是指0．3～3THz的特定频率范围)的应用大致有三方面：1)生物医疗中的成像与谱分析。这是因为许多生物分子的谐振频率(指分子的旋转或振荡频率)都在THz范围内，因而检测的灵敏度高；2)雷达与无线通信的应用(因为载波频率高，因而可用的带宽也高，意味着可以实现极高

5、数据率的传输：在几十Gbps量级)；3)深空间遥感与无线电天文学。但是太赫兹信号的产生有一个很大的问题，即信号源的输出功率与频率成4次方的反比关系，这无论是相比于低于这个频段(如毫米波段)，或高于这个频段(如远红外波段)都是如此。如果将信号的输出功率与频率的关系在双对数坐标上画出(可以被称为Bode图，在该图中，如纵坐标表示的函数值一收稿日期：2014—01—10基金项目：国家重点基础研究发展计~1](973计划)资助项目(2011CBA00602／4)作者简介：余志平(1944一)，男，浙江上虞人，教授，集成电路CAD及纳电子学．4杭州电子科技大学学报2014正CMOS

6、集成电路中有源器件的截止频率已达400GHz以上(Intel的数据：90nm节点209GHz，32nm节点445GHz)。基于这样的工艺条件，毫米波段的基波振荡器已可以用CMOS电路实现。THz振荡器，目前还是要依赖于高次谐波，同时在电路上或者采用pushpush电路拓扑来取得高次谐波作为输出，或者是采用多个振荡器合成的办法来得到输出。这一节，我们先介绍一款频率为210GHz基波振荡器，采用的是32nmSOICMOS工艺j，然后介绍采用延迟耦合振荡器对四次谐波进行合成而得到振荡频率为320Gm(因此已进入我们文中讨论的THz源范围)的电路，实现该电路的CMOS工艺节点是6

7、5nm。2．1210GHz基波振荡器迄今报道的利用CMOS技术实现基波振荡的最高频率是2013年2月在ISSCC(InternationalSolid．StateCircuitsConference)上发表的美国加州大学Irvine分校(UCI)的单片集成、工作频率为210GHz的收发器。该电路采用IBM32amSOICMOS工艺(=250／350GHz)。这里我们仅介绍其压控振荡器部分(图4)，其调谐范围为204．7～212．7GHz，输出功率为一l3．5dBm(44．7)，相位噪声为一80．9dBc／Hz(在频率偏差为1M