DARPA太赫茲放大器列入吉尼斯世界紀(jì)錄

美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究計(jì)劃署(DARPA)的“太赫茲電子技術(shù)”(Terahertz Electronics)計(jì)劃及其承商N(yùn)orthrop Grumman公司最近獲得“吉尼斯世界紀(jì)錄”(Guinness World Records)認(rèn)證：突破以往的速度限制，開(kāi)發(fā)出全世界第一個(gè)太赫茲(THz)放大器。“獲獎(jiǎng)的最高頻率放大器每秒約可實(shí)現(xiàn)1兆次作業(yè)，這是由Northrop Grumman制造以及由NASA贊助，”吉尼斯世界紀(jì)錄評(píng)判員Philip Robertson表示。

DARPA委托Northrop Grumman制造出全世界第一臺(tái)太赫茲功率放大器。該放大器可望為次毫米波頻譜開(kāi)啟更多的新研究領(lǐng)域與創(chuàng)新應(yīng)用。

吉尼斯世界紀(jì)錄已經(jīng)正式將Northrop Grumman為DARPA太赫茲電子技術(shù)計(jì)劃開(kāi)發(fā)的太赫茲單晶片積體電路(TMIC)列入最快速的固態(tài)放大器世界紀(jì)錄了。這款10級(jí)的共源類比放大器能以1 012 GHz(即1.012 THz)的速度作業(yè)，比2012年時(shí)開(kāi)發(fā)的現(xiàn)有世界紀(jì)錄——850 GHz的放大器更快1 500次工作周期。

DARPA總監(jiān)Arati Prabhakar表示，“我們對(duì)于Northrop Grumman這項(xiàng)突破所開(kāi)啟的新機(jī)會(huì)及其所能實(shí)現(xiàn)的所有技術(shù)感到振奮。DARPA持續(xù)在許多領(lǐng)域?yàn)橥ㄓ嵓夹g(shù)組成播種，例如在手機(jī)方面，利用微波基地臺(tái)在彼此間進(jìn)行的所有通訊能力都可以追溯到DARPA。”

Prahakar預(yù)測(cè)，許多目前想像不到的類似創(chuàng)新最終都將來(lái)自于太赫茲通訊能力。除了美國(guó)以外，這一頻率范圍目前未被使用，因此仍十分寬廣，可望為DARPA的未來(lái)計(jì)劃帶來(lái)創(chuàng)新無(wú)限。

DARPA/Northrop Grumman的合作是一項(xiàng)三階段的五年計(jì)劃，每一階段的任務(wù)完成象征著面臨更大的挑戰(zhàn)。Northrop Grummant解到的第一件事就是磷化銦電晶體對(duì)于實(shí)現(xiàn)高頻系統(tǒng)至關(guān)重要。

太赫茲頻率范圍介于RF和光的頻率之間，通常定義在300 GHz~3 THz頻率范圍。隨著頻率增加，波長(zhǎng)的尺寸以及電晶體的尺寸持續(xù)微縮。目前，機(jī)場(chǎng)的全身掃描儀即作業(yè)于毫米波頻率范圍。但是，DARPA計(jì)劃分三個(gè)階段探索次毫米波波長(zhǎng)范圍，第一階段目標(biāo)是670 GHz、第二階段是850GHz以及最終目標(biāo)即在于1.03 THz。

“我們鎖定這些頻率是因?yàn)檫@些都是以大氣為傳輸窗口，”DARPA太赫茲電子技術(shù)計(jì)劃經(jīng)理Dev Palmer表示，“我們有兩條研究路線，一是基于真空電子，另一條則著重于磷化銦電晶體——透過(guò)結(jié)合這兩項(xiàng)技術(shù)，就能取得打造在這些頻率下作業(yè)的接收器與傳輸器所需的所有技術(shù)。”根據(jù)Palmer表示，從850 GHz-1.03 THz，反而成為最艱鉅的挑戰(zhàn)。

“雖然只是增加了20%，但卻提升超過(guò)了150 GHz——這相當(dāng)于目前美國(guó)軍隊(duì)所用總頻譜的四倍。但有時(shí)你必須看得更遠(yuǎn)，”Palmer強(qiáng)調(diào)，“Thz電晶體所能取得的最大增益是9dB，它已經(jīng)達(dá)到打造實(shí)際應(yīng)用的程度了。”

事實(shí)上，太赫茲范圍比RF范圍更快500倍，或者可說(shuō)比手機(jī)微波頻率(2 GHz)更快500倍。在接下來(lái)的五年內(nèi)，DARPA計(jì)劃贊助另一項(xiàng)可使頻率提高3倍達(dá)到3 THz的計(jì)劃，以便涵蓋整個(gè)范圍。 “這意味著在未來(lái)十年內(nèi)，我們將可涵蓋至整個(gè)太赫茲頻譜范圍，”Palmer說(shuō)。

同時(shí)，DARPA還將贊助另一組研究團(tuán)隊(duì)，他們將會(huì)把作業(yè)于太赫茲范圍內(nèi)的通訊設(shè)備(傳輸機(jī)與接收機(jī))整合在一起。Palmer還提出三種短期內(nèi)的應(yīng)用：可實(shí)現(xiàn)超高資料速率通訊，而無(wú)需復(fù)雜的調(diào)變機(jī)制;高解析度成像取代牙科用X光射線以及診斷皮膚灼傷;先進(jìn)的光譜技術(shù)，可鑒定危險(xiǎn)的化學(xué)物質(zhì)以及具有強(qiáng)烈旋轉(zhuǎn)共振的材料。太赫茲頻率還可用于改善防撞雷達(dá)系統(tǒng)。

目前世界上最快的磷化銦電晶體在材料層厚度、閘極長(zhǎng)度以及其他的電晶體特性方面都已經(jīng)極度微縮了，尺寸縮小到相當(dāng)于一粒鹽的大小。其晶圓厚度也已經(jīng)薄到僅有18微米，相當(dāng)于人類頭發(fā)直徑的一半，而其閘極長(zhǎng)度也僅有25n m，因而都必須采用電子束(E-beam)微影技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

“上變頻器和下變頻器目前均已證實(shí)可在850GHz頻率作業(yè)了，”Northrop Grumman Aerospace Systems太赫茲電子技術(shù)計(jì)劃經(jīng)理Bill Deal表示。

更高的頻率可望使通訊通道走出擁擠的RF范圍以及實(shí)現(xiàn)極低功耗，但遺憾的是所能涵蓋的距離仍短，不過(guò)，Northrup Grumman樂(lè)觀表示很快地將可突破這一范圍限制。