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太赫茲波技術的應用與未來趨勢


壹  前言

從工業革命開始,科技的快速發展一直是人類社會不斷進步的動力。而太赫茲波 (Terahertz wave, THz wave) 技術的崛起,正是當今科技領域中一個極具潛力的新興領域。自1980年代以來,隨著超快電子學、雷射和半導體等技術的發展,對THz wave的研究取得了突破性的進展。由於THz wave獨特的光學和電學特性使這項技術有著廣泛的應用前景,從5G/毫米波寬頻、非破壞性檢測、國防科技,機場或場館安檢、材料分析、食安檢驗、醫學檢測、及淺層細胞病變偵測,都顯示了這一技術的重要性和價值。本篇旨在探討THz wave的介紹及特性、發展趨勢、未來發展目標等問題,以期提供讀者一個全面的了解。[1]

貳  科技發展現況

一、 THz wave介紹及特性

THz wave是指頻率在1012 Hz附近的電磁波訊號,是介於遠紅外線與微波頻段之間的非游離訊號,頻率範圍是0.1 THz~10 THz(如圖1所示),對應電磁波波長為3 mm~30 µm,介於微波和可見光之間,因此也稱為毫米波和次毫米波。由於其相對能量較低,故具有對人體傷害或影響較小的特性。[2]

圖1 THz頻譜圖

THz wave有三個特點:辨識化學分子、透視和不破壞生物體。不同波段的電磁波和物質都有很特殊的交互作用,透過THz wave與物質之間的反應可以辨識出特定的化學分子,得知物質成份,可應用在分析藥品、毒品或蛋白質的種類等。 THz wave比起現今常用的光學檢測方法具有下列特色:

(1) 能量落在原子和分子的振動及轉動能階,利用特定材料吸收特定頻率THz wave,分析其頻譜可以用於鑑定不同材料種類。

(2)波長比起現今光學檢測法所使用的光源都長,因此其繞射現象明顯不易被物體阻擋。

(3)非極性分子材料對於THz wave來說屬於透明物質,因此可以在不破壞的情況下穿透整個物體

(4) THz wave所帶的光子能量較小,因此不會破壞物體分子結構

(5) 水分子對THz wave的吸收度極高,因此可以用於檢驗物質中的水分含量

(6) 金屬會反射THz wave,因此可作安檢應用。

THz wave可以做到「透視」,人眼看不到的東西,THz wave可以輕鬆地穿透表層到達內部且不僅可以檢測固體,還可以檢測液體和氣體。一般進行X光及其他放射性照射時,因光子能量太強,容易把分子裡的電子打出來,成為游離電子;而失去電子的分子變得不穩定最終導致人體罕見與不正常的化學反應。而THz wave有別於X光及其他放射性照射的檢測,因光子能量很小,無法破壞生物分子,更無法將分子內的電子游離出來,因此對生物體是安全的,也可以做到非破壞性的偵測,適合工業製造與品質管控的應用,如半導體廠在晶片封裝之後,檢查內部有無斷線,或是評估3D晶片封裝完整度;藥廠則可以檢查膠囊成品內部有無破損等。

二、 THz wave技術發展趨勢

THz wave處於宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡區,在長波方向屬於電子學領域,在短波方向屬於光子學領域。正是由於其在電磁波譜中所處的特殊位置,其表現出與其他波段不同的特殊光學特性。

圖2 THz技術應用

如圖二所示,人體檢測、國防科技、火災監控、非破壞性檢測、生物科技、天文學等,都是其技術發展範圍。

以下進行THz技術的發展趨勢多個重要領域介紹:

(1) 通訊技術

THz頻段的高帶寬特性使其成為未來通訊技術的關鍵,可支持超高速、超大容量的數據傳輸,將成為5G及其後續技術的重要支撐。THz用於通訊可以獲得10 GB/s的無線傳輸速度,特别是衛星通信領域,由於在外太空近似真空的状態下,不用考慮水分吸收訊號的影響,這使得THz通訊可以以極高的頻寬進行高保密衛星通訊,比目前的超寬頻技術還快幾百至一千多倍。雖然目前由於缺乏高效率的THz發射天線和信號源,使其在通訊領域商業化的目標還有一段距離,但在不久的將來必將由新型的發射装置和發射源的進展所解決。

(2) 雷達和感測技術

THz波段在雷達、成像和感測方面具有廣泛應用,其高解析度和穿透能力使其在軍事、安防、地質勘探等領域有著重要地位。

THz成像技術

THz成像技術可分為脈衡和連續波兩種方式;前者俱有THz光譜技術的特點,同時它可以對物質內部進行成像,獲得物質内部的折射率分佈。例如,樣本是人的牙齒,那麼牙齒的正常部分與損蛀部分將很容易的被區分開,同時不再需要照射x射線,對人體沒有附加傷害;在材料科學領域,可用於材料的非破壞性檢測、特性測試和加工等方面,對於新材料的研發和應用有著重要意義。

安全檢查應該說是現階段最吸引人的THz技術,它的本質原理是THz成像,目前主要採用連續波THz源,要解決的是目前最受人關注的反恐、緝毒等最讓人關注的問題;目前歐洲部分國家所發展的THz安檢設備正在進行試驗及上線測試,由於THz射線的穿透性和對金屬材料的反射率特性,而THz的高頻率又使得成像的分辨率更高,所以可以輕鬆看到隱藏在衣物、鞋內的刀具、槍械等物品,同時如果進一步結合THz的物質鑑別特性,能夠區分人體身上是否有攜帶炸彈或毒品。另外,世界各地引起社會動盪的自殺式炸彈恐怖攻擊,也可以利用THz安檢設備進行防範,因為站崗的可以不再是士兵或保全人員,而是THz安檢儀,人們不需要靠近可疑份子就可以檢查。[3]

THz雷達

利用大氣中水分對THz射線的強烈吸收作用,近距離雷達也是THz射線的優勢所在,一個非常令人嚮往的應用是穿牆雷達和探雷雷達,可以用於抗震救災中罹難者的搜救。這是由於牆壁,木材等材料對THz射線可穿透,而人體因包含大量水分而無法穿透,因此可以透過牆壁偵查到屋内的人員的分佈和活動,對於反恐相關國家的安全起到極大的幫助,而探雷雷達是由於地雷一般在地表或地表附近,THz射線可以穿透乾燥的泥土,但地雷是由金屬構成會將THz射線反射回來,從而發現目標。

太空物質感測

在宇宙中,大量的物質持續發出THz電磁波,碳(C)、水(H20)、一氧化碳(C0)、氮(N2)、氧(O2)等大量的分子可以在THz頻段進行探測,而這些物質在應用THz技術以前一部分根本無法偵测到,而另一部分只能在海拔很高或月球表面才可以偵测到。

(3) 生物醫學分辨技術

THz技術在醫學影像、分子檢測等方面的應用也日益受到重視,有望在癌症檢測、病原體檢測等領域實現重大突破。

THz光譜技術,目前已經開始商業化運作,世界各地已經有多家企業開始生產商用THz光譜儀,主要是中國,美國,歐洲和日本的廠商。THz光譜技術的基本原理是利用飛秒脈衝產生並探测時間分布的THz電場,透過傅立葉變换獲得被測物品的光譜信息,由於大分子的振動和轉動能階大多在THz波段,進而可以透過特徵頻率對物質結構、特性進行分析和鑑定,一個比較重要的應用可以作為藥物品質監管,設想一下製藥廠的生產線上安装一台THz時域光譜儀,從藥廠出廠的每一片藥都進行光譜测量,並與標準的藥物進行光譜對比,合格的將進入下一個環節,否則在生產線上將劣質藥品排除,可以避免不同種藥物的品質差異。

(4) THz輻射

德國研究人員利用超級電腦運算發現,利用強烈的THz輻射,可實現在不到兆分之一秒内瞬間將微量水加熱至沸騰,THz輻射是指頻率從0.1 THz到10 THz,波長介於毫米波與紅外線之間的電磁輻射區域,德國電子同步加速器研究所報告說,強烈的THz輻射可引發水分子激烈震動,打斷水分子間的氫键,此方法可將約1 nl的水在0.5 ps内加熱至攝氏600度,報告指出,1 nL的水雖然聽起來不多,但對許多實驗來講就已經足夠。研究人員表示,水在許多化學與生物過程中扮演重要角色,在科學、化學與生物領域能提供更多實驗的可能。

THz成像技術和THz wave光譜技術由此構成了應用的兩個主要關鍵技術。同時,由於能量很小,不會對物質產生破壞作用,所以與X射線相比更具優勢。由於THz頻段屬於空白頻段,還沒有分配執照,可以提供高服務品質寬頻多媒體無線業務。THz在通訊領域才剛起步,對於我國而言,發展THz通信,可以搶佔300 GHz 以上的頻寬空白,意義非凡。因此我們判斷,隨著對通訊速率的需求的不斷增長,現有的微波無線通訊將無法滿足人們的需求,無線通訊的載波必將會進入THz的波譜範圍。[4][7]

三、 6G以上的未來通訊技術與問題

在通訊方面,目前已跨足的5G時代相比,未來6G的頻段候選人THz wave科技,比目前使用的傳輸頻寬更廣,與光纖通訊網路結合,將能突破傳遞的距離限制,提供更快的網路服務,甚至比Wi-Fi標準快上數百倍速度。若要將5G的通訊系統頻率範圍轉移到THz頻率範圍(0.1 THz~10 THz),同時要把很高速的訊號加載在THz的載波頻段上,做到每秒可傳輸1 T位元,也就是在一秒要加載1 T個0或1,以目前的技術上遇到某些程度上的困難。[5]

(1) 如果發射源能量很低,訊號很難到達接收端。

(2) 如果接收器不夠靈敏,也很難獲取資料,並且也要確保龐大的資料量得以順利解碼。

(3) 由於頻率介於300 GHz至10 THz的THz電磁波屬於遠紅外線(FIR),它的繞射特性比毫米波更差,因此通訊上的問題很多難度很高,繞射效果不好,必須建置大量基地台,未來是否能夠完全覆蓋地面還有待觀察,或許在人多的地點以「熱點(Hotspot)」的方式建置比較可行,而且基地台的通訊範圍愈小能夠提供更多人高速上網。

為了評估通訊系統是否夠好,也可以從訊噪比來看,如果訊號和雜訊的比例愈高,訊號就愈乾淨,也更容易成功解碼。因此,提升訊噪比也是將來改善的重點。另外,美國國防部下屬的國防高等研究計畫局(DARPA)從2016年開始,就與非營利組織及十多家私營企業合作開始一個由30多所美國大學組成的合作研究項目「聯合大學微電子學計畫」,而THz的感測器與通訊技術就是這個研究計畫的項目之一。

除了美國以外,中國大陸、日本、南韓、芬蘭、瑞典、德國、英國等通訊技術強國都加入6G技術研發的行列,國際上在THz產業,因應不同的應用需求,會有不同等級的系統。台灣在這個產業,尚在萌芽初期,需要產學研界的共同推廣及大力研發。[6]

參  結論

本文總結了THz從介紹及特性到技術發展方向最後整理未來發展趨勢。THz技術的發展將為人類社會帶來巨大的影響和改變,其在通訊、感測、醫療等方面的應用前景十分廣闊。目前世界各國正積極研發中,將其視為重要前瞻科技之一,且現在正是關鍵時刻,我們期待未來THz技術能夠持續取得新的突破和進展,為人類創造更美好的未來。

肆  參考文獻

[1] JIANG Cheng-Yue . Generation and detection of terahertz wave using a parametric process in lithium niobate [D ] . Huazhong University of Science & Technology (蔣呈閱. 基於鈮酸鋰晶體參量過程產生與探測太赫茲. 華中科技大學 鋰晶體參量波. 2013 .
[2] Hartmann RR , Kono J , Portnoi ME . Terahertz science and technology of carbon nanomaterials [J ] . Nanotechnology , 2014 , 25 ( 32 ): 322001 .
[3] Liu Z, Liu L, Zhang Z, et al. Terahertz detector for imaging in 180 nm standard CMOS process [J]. Science China(Information Sciences), 2017, 60(8):082401.
[4] Henryteo , 太赫兹科技優點與應用, June 29, 2021, Terahertz Technology.
[5] MIN Bi-Bo , ZENG Chang-E , YIN Xin , et al . Application of terahertz techniques in military and space [J ] . Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology (太閔碧波,曾嫦娥,赫茲科技在軍事與航太領域的應用.太赫茲科學與電子資訊學報) , 2014 , 12 ( 3 ): 351 - 4 .
[6] Hakeem, Shimaa A. Abdel, Hussein, Hanan H., and Kim, Hyung Won (2022), Vision and research directions of 6G technologies and applications. Journal of King Saud University - Computer and Information Sciences, 34 (6): 2419-2442. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1319157822001033
[7] Alfred Leitenstorfer, Andrey S Moskalenko, et al, The 2023 terahertz science and technology roadmap, Journal of Physics D: Applied Physics, Volume 56, Number 22, 5 April 2023.