太赫茲位于紅外和微波之間，處于宏觀電子學向微觀光子學的過渡階段。這段話大家都已耳熟能詳了。其實這是科學家們客氣的說法，楚河漢界之間自古是紅藍兩軍對壘之地自然少不了命令與征服的故事。太赫茲即是橋梁也是前沿陣地，過去由于技術發展水平受限兩軍炮火還飛不出邊境所以更惶論攻城拔寨。今天的太赫茲技術經過十多年的發展，電子學和光子學兩軍早已劍拔弩張、蓄勢待發（希望可以攻出個諾獎來）。

2016年10月初歐洲太赫茲電子學領域科研大牌CHALMERS大學采用美國VDI公司和KEYSIGHT公司的解決方案搭建了全世界首套1.5THz矢量網絡分析儀（動態范圍40-80dB，輸出功率典型值<1uW如圖1）。

圖1、1.5THz矢量網絡分析儀動態范圍（圖片來自http://www.vadiodes.com）

這個消息即代表了太赫茲電子學從防守轉向進攻邁出的一小步，但更是歐洲太赫茲電子學的無奈。

話雖如此，歐洲電子學其實并不丟人，畢竟幾家大牌的實驗室（盧瑟福、IAF等等）還有點存貨（俄羅斯的真空電子學也是獨步天下），而且剩下的兩個伙伴日本和中國在太赫茲電子學領域大哥不說二哥，大家都眼睜睜看著美國一騎快馬絕塵而去。為首的JPL早在2004年發射的AURA衛星就搭載了JPL 118, 190, 240, and 640 GHz and2.5 THz輻射計送見下圖2，后面跟著MIT、Northrop、Grumman, VDI,HRL等大小公司也好不得意。

圖2、2004年7月發射的AURA衛星搭載的毫米波及太赫茲輻射計（圖片來自JPL）

知恥而后勇，眼看美國的快馬漸行漸遠。憑借通信領域深厚的技術功底日本NTT公司很快拿出了從器件到系統的解決方案。

圖3、NTT 120GHz點對點通訊系統以及發射端結構（圖片來自http://www.ntt.co.jp）

這套方案讓日本成了商業化太赫茲通信系統的鼻祖，可是這套通信系統收發前端以InP HEMT（最高工作頻率350GHz）為基礎，NTT發現頻率再往高舉步維艱、力有不逮。所以很快在光子學中另辟蹊徑推出了UTC-PD技術，并為其設計了一系列應用場景（如下圖4），未來的大容量太赫茲通信系統和太赫茲超寬帶測試系統就指著它了。今年松下公司和廣島大學已宣布正在研發工作在300GHz通訊速率達100Gbps的點對點通訊系統并將在東京奧運會實現商用。

圖4、UTC-PD技術的應用場景以及芯片結構（圖片來自http://www.ntt.co.jp）

UTC-PD技術吹響了太赫茲光子學進攻的沖鋒號，歐洲這邊法國IEMN和德國HHI也緊追不舍。2014年前后歐洲HHI研究所也推出基于LT-GaAs材料的太赫茲光混頻器，德國Toptica，Sarcher、美國光通信器件公司EMCORE紛紛順勢推出太赫茲頻域光譜系統FDS。該系統頻率覆蓋0.1-2THz，頻率分辨率可以到MHz，動態范圍典型值80dB，低于10萬美金的成本。從指標上看儼然是矢量網絡分析儀（電子學測試測量金字塔頂端）的終結者。NTT公司更計劃推出從毫米波到太赫茲全頻段覆蓋的發射源以及寬帶接收機，最終目標當然劍指太赫茲超寬帶通信系統。早期發射源性能指標大致如下：

圖5、NTT 0.1-4THz寬帶太赫茲源（圖片來自http://www.ntt.co.jp）

歐洲和日本似乎用光子學技術給困惑已久的太赫茲點燃了一盞明燈，擋在他們前面的唯一困難是輸出功率。如果功率能夠提升一兩個數量級，橫跨光子學電子學的大殺器就橫空出世了，實用化的太赫茲通信，測試、成像系統都指日可待。

可是直到今天功率仍然是太赫茲光子學前進道路上一道無法逾越的鴻溝，UTC-PD輸出功率至少落后固態電子學1到2個數量級（目前最高水平300GHz/1mW），無論是太赫茲通信還是測試系統這點功率實在是太寒磣了，NTT和HHI也一時沒有新的材料和工藝拿的出手，只好偃旗息鼓苦練內功去了（SiGe photodiodes是下一個研究熱點）。跟著的一眾公司眼看短期內無利可圖只能賣的賣，停的停。

光子學的進展并不局限于此，太赫茲時域光譜系統TDS經過近10年發展也多少有點氣候了，去年德國MENLO為首的幾家專長于飛秒激光器公司（相比之下早期的TDS廠商只是把零件攢在一起，在外圍修修補補而已）推出異步光學采樣TDS系統讓大家以前一亮，頻率分辨率<1GHz,采樣速度每秒1000個波形。他們從飛秒激光器入手只用幾招就化解了傳統TDS面臨的危機（速度慢，分辨率低，體積龐大等等）。而在此之前科學家們還將太赫茲時域光譜系統TDS用于芯片片上測試（共面波導缺陷檢測）、雷達反射截面緊縮場測試(CATR，見下圖4)等電子學測試測量的傳統陣地。隨著異步系統以及TDS功率合成技術的成熟，在太赫茲成像和測試領域太赫茲時域光譜系統TDS遲早會吹響光子學進攻的號角。

圖6、Terahertz radar cross section measurement Krzysztof Iwaszczuk,*,1 Henning Heiselberg2 and Peter Uhd Jepsen11DTU Fotonik – Department of Photonics Engineering, Technical University of Denmark, DK – 2800 Kongens Lyngby, Denmark

其實放眼望去，近年來激光雷達、激光通信、光鐘以及光頻梳等等無不一點一點在擠壓著傳統電子學的地盤。電子學會地盤拱手相讓嗎？讓我們拭目以待吧。

作者：美克銳科技 張宇