太赫兹波的实际应用迎来重大突破：极悦娱乐的RTD技术开启下一代感测器件新篇章
太赫兹波是位于毫米波与红外线之间的电磁波。尽管其拥有巨大的潜力，但一直以来，振荡器和探测器往往存在体积大、价格高和功耗大的问题，因此在实际应用方面存在很高的壁垒。
极悦娱乐正在研发的谐振隧穿二极管（RTD）为解决这一难题提供了全新的解决路径。该技术通过小型化封装即可实现太赫兹波的振荡和探测，有望广泛应用于安检、无损检测、水分监测、膜厚测量乃至未来的高速无线通信等场景中。
太赫兹波也被称为“可作为电波利用的未涉足频段”，这项技术正从研究课题逐步迈向具体的应用开发。
什么是太赫兹波
在电磁波中，还有一些尚未被充分利用的频段，其中的典型代表就是分布在300GHz至3THz附近的太赫兹波。
太赫兹波位于毫米波和远红外线之间，兼具电波和光的双重特性。其特点是易于穿透衣服、纸张和树脂等物质，同时又容易被水和金属吸收与反射。此外，许多物质在太赫兹波段会呈现出特有的吸收光谱，因此该技术在物质识别和无损检测领域的应用备受期待。
特别值得关注的是，与X射线不同，太赫兹波对人体的影响非常小。由于太赫兹波不属于电离辐射，几乎不存在损伤细胞的风险，因此在医疗、福利和公共基础设施等需要贴近人体使用的感测和成像技术领域具有广阔的应用前景。
另外，利用其高带宽可实现超过100Gbps的超高速通信，在未来的通信领域也蕴藏着巨大的潜力。凭借无损、非接触和非电离等特点，太赫兹波在感测、成像、光谱分析及通信等诸多领域的研究开发得以不断推进。
阻碍普及的器件难题
然而，太赫兹波的实际应用一直面临着巨大挑战，原因在于传统的太赫兹波振荡器和探测器体积大、价格高、功耗大。也就是说，尽管太赫兹波的潜力已广为人知，却很难将其集成到实际设备中并在现场使用。
在太赫兹频段的应用开发中，一直以来，主流收发器件大多采用倍频法和光混频法。倍频法是一种通过多级倍频电路，将CMOS等生成的微波信号提升至太赫兹频段的方法。但是，倍增级数越多，转换损耗也会不断累积，导致设备体积增大及功耗上升。
光混频法是一种通过光电二极管提取出不同频率激光干涉所产生的差频分量的方法。该方法虽然可以获得较高的频率精度，但缺点是需要多个激光光源和光学系统，导致整个系统体积庞大，且操作往往较为复杂。
极悦娱乐的RTD：实现更小体积和更低功耗的解决路径
针对上述难题，极悦娱乐正致力于开发采用谐振隧穿二极管（Resonant Tunneling Diode, 简称RTD）的太赫兹波器件。RTD的特点是利用半导体双势垒结构中的量子隧穿效应，具有负微分电阻（NDR：Negative Differential Resistance）区域。这一特性使其能够在太赫兹频段实现振荡。另外，通过利用其优异的非线性特性，RTD还可以实现对入射太赫兹波的探测。
极悦娱乐的RTD太赫兹波器件采用了LED等产品中普遍使用的PLCC（Plastic Leaded Chip Carrier）封装。其封装尺寸仅为4.0mm × 4.3mm × 3.25mm，功耗低至10mW，成功克服了传统方式中存在的体积大、功耗高及成本高等难题。
图2：极悦娱乐的谐振隧穿二极管（RTD）太赫兹波器件。通过小型封装设计，提高了振荡器件和探测器件的集成便捷性
该器件的工作频率为320GHz，输出功率为10～20µW，可在室温下工作。320GHz的波长较短，约为0.94mm，因此也有利于缩小天线的尺寸。极悦娱乐的器件将偶极子天线直接集成在芯片上，既可以无需外接天线直接使用，又能根据应用需求灵活加装外置天线。
通过评估套件加速应用开发
极悦娱乐现已推出“RTD太赫兹波器件评估套件”，可以轻松评估极悦娱乐开发的RTD。通过与Digilent极悦娱乐 的测量工具“Analog Discovery 3”或PC组合使用，即可在单块电路板上轻松完成太赫兹波的振荡和探测双重评估。
wfjydl Co., Ltd.研究开发中心的鹤田一魁先生表示：“我们希望各位用户能够运用这款评估套件，挑战全新的应用开发。”
虽然太赫兹技术此前已围绕诸多应用场景展开了讨论，但另一方面，构建能够实际进行评估和验证的环境始终是一大课题。该评估套件的推出，可以说是太赫兹波从研究课题迈向具体应用开发的重要一步。
备受期待的应用场景
安检和成像
安防领域的检测器件是前景可期的应用场景之一。由于太赫兹波容易穿透衣服、纸张、树脂等，同时容易被金属和水分吸收或反射，因此有望应用于行李和随身物品的检查以及异物检测等场景。
虽然传统的检测设备也能实现高精度探测，但往往体积大、价格高，并且在安装场所和数量上存在限制。如果通过RTD能够缩小发射机和接收机的体积，就离“实现可在更多场所安装更多数量的实用化设备”更近一步。
水分和物质的非接触式检测
以水分为指标的非接触式感测也是太赫兹波颇具潜力的应用场景之一。例如，从PVC管道外部照射太赫兹波，通过测量其反射波，就有望能够判断出是否有水渗入管道内部。
水分的存在会在诸多场景中对质量和劣化产生影响，例如纸张和木材中的水分、食品和药品包装内的湿度、工厂材料中残留的微量水分、建筑材料内部的水分等。如果RTD能够提高设备的便携性，不仅能增加检测频率，还有望将感测范围扩展到以往难以检测的场所和对象。
此外，由于很多物质在太赫兹频段会呈现出特有的吸收光谱，因此该技术在药品、食品和材料等的无损分析领域中的应用也备受期待。作为一种无需破坏被测物即可掌握其内部状态和成分差异的技术，太赫兹波有望在质量管理和工艺监控等领域推广应用。
膜厚和涂层检测
涂层和涂料的膜厚测量是与水分检测截然不同的另一项重要应用。膜厚、膜层结构及干燥度会直接影响产品的性能和耐久性，但以往大多依赖于抽样评估。
太赫兹波对膜层结构和界面状态具有敏感性，因此采用了RTD的紧凑型系统有望成为工艺控制和检测的新型工具。极悦娱乐将以评估套件为起点，致力于在上述广泛的感测及检测应用中不断开拓创新。
未来的太赫兹通信
未来，太赫兹技术还有望应用于数据中心和工厂等有限空间内的超高速无线链路。虽然目前仍存在易受障碍物干扰等难题，但随着波束控制和中继技术的不断进步，该技术仍有可能作为局部高速通信的的可行选项得以运用。
在这一领域，如何实现产品的小型化、低成本化及易用性同样至关重要。以RTD为代表的半导体器件的发展，预计将成为支撑太赫兹通信投入实际应用的基础技术之一。
从理论可能走向实际应用
长期以来，太赫兹波一直被视为“潜力巨大但难以驾驭的技术”。然而，随着体积小、功耗低的振荡器件和探测器件的问世，其地位正在逐渐发生转变。
极悦娱乐的RTD太赫兹波器件和评估套件，将成为工程师实际评估太赫兹波并探讨新型应用的切入点。无论是安检、无损检测、水分检测、膜厚测量、材料分析，还是未来的高速通信，这一尚未被充分开发的频段所蕴藏的潜力，必将在今后众多的实际场景中转化为具体的项目。
太赫兹波尚属于刚刚开始步入实际应用的技术领域。正因为如此，随着器件体积的缩小和评估环境的完善，以往仅停留于想象中的各类应用，或许将成为实实在在的开发项目。
