DARPA太赫茲放大器列入吉尼斯世界紀錄

美國國防部先進研究計劃署(DARPA)的“太赫茲電子技術”(Terahertz Electronics)計劃及其承商Northrop Grumman公司最近獲得“吉尼斯世界紀錄”(Guinness World Records)認證：突破以往的速度限制，開發出全世界第一個太赫茲(THz)放大器。“獲獎的最高頻率放大器每秒約可實現1兆次作業，這是由Northrop Grumman制造以及由NASA贊助，”吉尼斯世界紀錄評判員Philip Robertson表示。

DARPA委托Northrop Grumman制造出全世界第一臺太赫茲功率放大器。該放大器可望為次毫米波頻譜開啟更多的新研究領域與創新應用。

吉尼斯世界紀錄已經正式將Northrop Grumman為DARPA太赫茲電子技術計劃開發的太赫茲單晶片積體電路(TMIC)列入最快速的固態放大器世界紀錄了。這款10級的共源類比放大器能以1 012 GHz(即1.012 THz)的速度作業，比2012年時開發的現有世界紀錄——850 GHz的放大器更快1 500次工作周期。

DARPA總監Arati Prabhakar表示，“我們對于Northrop Grumman這項突破所開啟的新機會及其所能實現的所有技術感到振奮。DARPA持續在許多領域為通訊技術組成播種，例如在手機方面，利用微波基地臺在彼此間進行的所有通訊能力都可以追溯到DARPA。”

Prahakar預測，許多目前想像不到的類似創新最終都將來自于太赫茲通訊能力。除了美國以外，這一頻率范圍目前未被使用，因此仍十分寬廣，可望為DARPA的未來計劃帶來創新無限。

DARPA/Northrop Grumman的合作是一項三階段的五年計劃，每一階段的任務完成象征著面臨更大的挑戰。Northrop Grummant解到的第一件事就是磷化銦電晶體對于實現高頻系統至關重要。

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，波長的尺寸以及電晶體的尺寸持續微縮。目前，機場的全身掃描儀即作業于毫米波頻率范圍。但是，DARPA計劃分三個階段探索次毫米波波長范圍，第一階段目標是670 GHz、第二階段是850GHz以及最終目標即在于1.03 THz。

“我們鎖定這些頻率是因為這些都是以大氣為傳輸窗口，”DARPA太赫茲電子技術計劃經理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——透過結合這兩項技術，就能取得打造在這些頻率下作業的接收器與傳輸器所需的所有技術。”根據Palmer表示，從850 GHz-1.03 THz，反而成為最艱鉅的挑戰。

“雖然只是增加了20%，但卻提升超過了150 GHz——這相當于目前美國軍隊所用總頻譜的四倍。但有時你必須看得更遠，”Palmer強調，“Thz電晶體所能取得的最大增益是9dB，它已經達到打造實際應用的程度了。”

事實上，太赫茲范圍比RF范圍更快500倍，或者可說比手機微波頻率(2 GHz)更快500倍。在接下來的五年內，DARPA計劃贊助另一項可使頻率提高3倍達到3 THz的計劃，以便涵蓋整個范圍。 “這意味著在未來十年內，我們將可涵蓋至整個太赫茲頻譜范圍，”Palmer說。

同時，DARPA還將贊助另一組研究團隊，他們將會把作業于太赫茲范圍內的通訊設備(傳輸機與接收機)整合在一起。Palmer還提出三種短期內的應用：可實現超高資料速率通訊，而無需復雜的調變機制;高解析度成像取代牙科用X光射線以及診斷皮膚灼傷;先進的光譜技術，可鑒定危險的化學物質以及具有強烈旋轉共振的材料。太赫茲頻率還可用于改善防撞雷達系統。

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

“上變頻器和下變頻器目前均已證實可在850GHz頻率作業了，”Northrop Grumman Aerospace Systems太赫茲電子技術計劃經理Bill Deal表示。

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