太赫茲片上可編碼超構調控芯片進展

　　在國家自然科學基金項目（批準號：61931006、61921002、U20A20212）等資助下，電子科技大學張雅鑫教授團隊與中國電子科技集團公司第十三研究所專用集成電路國家級重點實驗室馮志紅研究員團隊合作在太赫茲片上可編碼超構調控芯片研究方面取得進展。最新研究成果以“基于多通道微擾場的可編碼數字化太赫茲高精度相位調控芯片（High-precision digital terahertz phase manipulation within a multichannel field perturbation coding chip）”為題，于2021年10月8日在《自然光子學》（Nature Photonics）上正式發表。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41566-021-00851-6）。

　　同時該論文還被選為《自然光子學》（Nature Photonics）十月期主頁推薦論文（OCT21 hero image），并在當期Views&Comments專欄以“基于多通道場微擾編碼芯片的高精度太赫茲相位調控(Phase control of terahertz waves moves on chip)”為題進行專項報道與評述（圖1）。

　　太赫茲波幅度、相位調控技術是大容量無線通信和高分辨成像等應用系統的核心關鍵技術，與太赫茲波的產生、檢測一同被國際太赫茲領域公認為三大難題。近年來太赫茲波幅度調制得到了不同程度的解決，然而太赫茲波相位調控，特別是高精度的相位調控卻遲遲未能突破。由于太赫茲波特殊的頻譜位置（位于紅外和微波之間）使得傳統的光子學與電子學相位調控結構與器件都存在插損大、高精度控制難等難題。

　　圍繞這一難題，該工作提出了利用片上多路數字編碼來控制片上二維電子人工微結構單元中微擾諧振的變化，從而實現對片上傳輸太赫茲波高精度相位調控的新方法。基于此方法，構建了一種將人工微結構單元、片上太赫茲傳輸電路與多路數字編碼電路相結合的新型太赫茲超構芯片結構---多通道場微擾編碼芯片(MFPCC)。該方法使用多路數字電壓編碼調諧微結構單元中二維電子氣的電子輸運特性，控制片上微結構單元結構內以及單元間的微擾諧振模式的變化與耦合。研究發現，不同的數字編碼對應著不同微擾諧振模式耦合，導致片上傳輸太赫茲導波的相位受到不同程度的非線性擾動，從而實現太赫茲波的可編碼式相位調控，有效提高相位調控精度。在0.26-0.27 THz的頻率范圍內相位調控精度最高可達2度，相位誤差僅為0.35度，插入損耗低至6.14 dB，振幅波動低至0.5 dB（圖2）。

　　該研究工作不僅為高精度太赫茲波相位調控器件發展提供了解決思路，同時也為集成化、芯片化的太赫茲調控器件以及高性能的太赫茲射頻芯片提供了新技術方案。

　　圖1 Nature Photonics十月期主頁推薦論文

　　圖2多通道片上可編碼太赫茲超構調控芯片結構及測試結果（a）三維結構示意圖；（b）微結構中擾動諧振模式場分布隨二維電子氣電子輸運特性變化規律；