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太赫茲技術:6G無線通訊與生物影像感測的希望之星

109/06/29 瀏覽次數 5958
「太赫茲」是物理單位,英文為Terahertz(THz),字首「Tera-」是1012的意思,所以太赫茲就是1012赫茲,也就是每秒1012次的意思,亦可翻譯為「兆赫茲」。目前常聽到的「太赫茲」,其實是指太赫茲波段,就是電磁波的一組特定波段,頻率範圍是0.1 THz~10 THz,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。
 
研究太赫茲技術的清華大學電機系助理教授楊尚樺認為,對一般人來說,「太赫茲」依然是陌生名詞,因此就像之前的「奈米」和「量子」一樣,被許多廠商拿來當成行銷用語。
 
橘色區間為太赫茲波段。(圖/沈佩泠繪)橘色區間為太赫茲波段。(圖/沈佩泠繪)
 
太赫茲波段有什麼特別的?

楊尚樺強調,太赫茲波有三個特點: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,比如說可見光就和人眼細胞有互動(註1),柱狀和錐狀細胞可以感知可見光波段。相對地,太赫茲波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。
 
另外,太赫茲波可以做到「透視」,人眼看不到的東西,太赫茲波可以穿透表層到達內部。以行李箱為例,太赫茲波可以偵測行李箱裡面是什麼,可應用於機場安檢與毒品檢測。而且太赫茲波不僅可以檢測固體,還可以檢測液體和氣體。
 
太赫茲波影像檢測的特點。(圖/沈佩泠繪)太赫茲波影像檢測的特點。(圖/沈佩泠繪)
 
太赫茲波的「透視」有別於X光檢測。人體的生物分子(如DNA、RNA)照射X光會受損,因為光子能量太強,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,會引發人體罕見與不正常的化學反應。反之,太赫茲波的光子能量很小,無法破壞生物分子,更無法將分子內的電子游離出來,因此太赫茲波對生物體是安全的。
 
太赫茲波可以做到非破壞性的偵測,很適合工業製造與品質管控的應用,例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晶片封裝是否完好;藥廠則可以檢查膠囊成品內部有無破損等。

太赫茲技術前景看好

提到當初為什麼想要研究太赫茲技術,楊尚樺笑著說:「其實是有點誤打誤撞。」2011年楊尚樺申請密西根大學博士班面試時,未來的指導教授Prof. Mona Jarrahi提到實驗室是做太赫茲技術,這是他首次聽聞這個名詞。當時臺灣僅有少數團隊研究太赫茲科學與技術,多為物理系或應用物理的學者,太赫茲相關元件(發射器或接收器等)也很難取得。
 
跟隨著Mona Jarrahi,楊尚樺從太赫茲最重要的元件「太赫茲發射源」(terahertz emitter)開始接觸,博士班念到第4年和第5年時,他開始懷疑這項技術是否在10年內真的有出口。「因為遇到的困難比你成功要多很多,幾乎都是困難的,看不到出口的,出口的光相當微弱」,楊尚樺說道。
 
甚至後期和指導教授Mona討論未來任教是否繼續研究太赫茲技術時,楊尚樺坦白和Mona說不會。當時專注在工程技術的楊尚樺認為,在許多人類所需的工程應用上,太赫茲很難和其他相對成熟的領域競爭,前景相當限縮。Mona自然不這麼認為,卻也沒有多說什麼。
 
後來,在申請教職的期間,楊尚樺從更全面的角度看待太赫茲技術,不只看業界技術和資金來源,更看向10年後和20年後的研究發展。他認為如果太赫茲元件能夠量產,且6G無線通訊帶來大量市場需求,應可克服許多困難。再來,太赫茲研究對於學界是有挑戰性的問題,不僅符合臺灣半導體、電子、光電通訊產業的脈絡,又有很多題目,可以做長期的研究,很有發展前景。

檢測晶片內部破損、超感知透視藝術文物

現在楊尚樺實驗室的研究核心是太赫茲裝置(Terahertz Device),可分為主動元件和被動元件。主動元件包括最重要的太赫茲發射源或是太赫茲探測器,被動元件則有太赫茲透鏡或太赫茲的訊號與空間調變器等。有了這些元件,就可以做出想要的太赫茲系統。
 
楊尚樺目前已做出一套影像系統,用於工業破損檢測時,可以看出晶片內部的破損,或是看太陽能板裡面的隱裂位置和大小。這套影像系統還可以用來觀察植物,例如豆莢內部的豆子長得如何,以及水分子輸送的情況。生醫用途上,也可以從混和物中準確辨識出血糖、胺基酸和蔗糖的成份與比例。以上,是屬於太赫茲光譜學(Terahertz Spectroscopy)的應用。
 
與影像系統有關的,還有超感知(Super sensing)的研究,例如太赫茲波可以直接看透一本書,在不碰觸到書的情況下,把每一頁的訊息解析出來。而且太赫茲波段不會破壞物質分子,也相當適合用來解析故宮文物,讓文物修復更順利。楊尚樺笑著說,如果有機會的話,真的非常想看看裡面藏有什麼祕密。
 
楊尚樺指出,2013年國外太赫茲團隊曾經發表過一項有趣的研究。知名的西班牙畫家Goya,平常在作品上一定都會簽名,但是有一幅畫作「Sacrifice to Vesta」很特別,從整體風格來看,大家都認為是Goya畫的,卻看不到簽名。
 
因此C. Seco-Martorell等人就用太赫茲影像系統解析了這幅畫,才發現原來Goya把自己的簽名簽在畫作底下,被上層的顏料蓋住了,他們將結果發表在光學期刊《Optics Express》1
 
 畫作「Sacrifice to Vesta」不同透明度的影像。(a)是原始畫作,(b)是可見光與太赫茲成像各占一半的情況,(c)則是100%太赫茲的成像情況,可以看到原作底下隱約有一位頭部朝左的女人。(圖/參考資料1)
將畫作「Sacrifice to Vesta」的太赫茲成像加以放大,團隊終於在右下角找到Goya的簽名痕跡。(a)是原始畫作的太赫茲成像,(b)是畫家Goya的簽名對照組,(c)(d)(e)則代表Goya隱藏簽名在不同振幅強度的太赫茲成像,(c)是最大振幅,簽名圖像最為清楚。(圖/參考資料1)將畫作「Sacrifice to Vesta」的太赫茲成像加以放大,團隊終於在右下角找到Goya的簽名痕跡。(a)是原始畫作的太赫茲成像,(b)是畫家Goya的簽名對照組,(c)(d)(e)則代表Goya隱藏簽名在不同振幅強度的太赫茲成像,(c)是最大振幅,簽名圖像最為清楚。(圖/參考資料1)
 
畫作「Sacrifice to Vesta」不同透明度的影像。(a)是原始畫作,(b)是可見光與太赫茲成像各占一半的情況,(c)則是100%太赫茲的成像情況,可以看到原作底下隱約有一位頭部朝左的女人。(圖/參考資料1)
從影像系統邁向6G應用

除了影像系統外,楊尚樺團隊也努力將太赫茲技術應用在6G無線通訊的產業鏈之中。目前的工作主要是將5G的通訊系統頻率範圍轉移到太赫茲頻率範圍(0.1 THz~10 THz),同時要把很高速的訊號加載在太赫茲的載波頻段(註2)上,目標是做到每秒可傳輸1012位元,也就是在一秒要加載1012個0或1。
 
現在相關研究遇到了一些困難,與太赫茲元件有關。雖然從5G到6G(太赫茲頻段)的頻寬擴大許多,但是系統的發射端和接收端是否能夠運作?如果太赫茲發射源能量很低,訊號很難到達接收端。如果太赫茲接收器不夠靈敏,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。
 
為了評估通訊系統是否夠好,也可以從訊噪比(訊號和雜訊的比例,Signal-to-noise ratio)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。

仍有重重困難有待突破

太赫茲系統為什麼難以量產?相關元件非常昂貴,市面上買不到整套消費級的太赫茲系統,一套系統造價約數萬到數十萬美元,公尺級別的大尺寸也相當占空間。
 
楊尚樺表示,目前技術的最大問題在於「太赫茲發射源」,大家還不知道如何做出完善、實用、微小又可在室溫環境操作的太赫茲發射器,只能先借助過去的知識幫忙。太赫茲波段落在微波和可見光之間,是電學領域和光學領域的交集地,微波那端研究電學的人,會想要把頻率做高,靠近太赫茲波段;但是元件頻率愈高,電容影響愈大,輻射功率會急速下降。
 
另一方面,電磁波段高頻那端研究光學的人,會從材料著手,通常會選用不同能隙(energy gap)大小的材料測試,比如說藍光LED的氮化鎵(GaN),能隙大,輻射出的光子頻率較高。如果要將輻射頻率降低,靠近太赫茲波段,能隙要夠小,但自然界找不到可以直接輻射出太赫茲波的窄能隙材料,必須要用特殊的技術才有辦法達成。
 
即便達成了上述的窄能隙條件,例如輻射出頻率1 THz的光子,對應的能隙能量是4 meV(milli-electron volts,能量單位),這個能量已經小於室溫下電子熱擾動的動能(幾十個meV),所以很難控制每個電子從能隙掉下來的時機,以便讓材料發出一致的同調光。必須要在極低溫,例如低於 -196.15 °C(77 K)的液態氮環境下,才有辦法達成。
 
楊尚樺強調,不論是電或光的方式,都很難在太赫茲波段輻射出足夠的功率,也就難以做出好的太赫茲發射源。發射源就像一支手電筒,如果不亮(功率不足),就無法探測周圍的環境,更不用說還要傳遞什麼訊號了。
 
「太赫茲發射源」目前還沒有找到完美的解決方案,不過楊尚樺團隊已經可以做到足夠亮的發射源,下一步要往可量產、輕巧化的太赫茲發射源邁進。為了搭配臺灣在半導體製程的專業,除了主流的III-V族光電元件之外,更開發IV族光電元件,目前實驗室已可獨立實現這兩類的主/被動元件。
 
楊尚樺團隊的10年研究目標是將整個太赫茲系統微縮到晶片大小(毫米等級,mm),這樣才有辦法讓太赫茲技術進入一般民眾的生活。

年輕學者如何在教學與研究中取得平衡?

在清大做研究的負擔很重,而楊尚樺也熱衷於教學,所以兩邊都忙,「我也不知道我有沒有取得平衡。」楊尚樺笑著說。他認為一般人都會直觀認為教學就是在課堂上教學生,但其實研究同時也是教學,因為必須讓本來習慣在課本做習題的學生,轉換成可以實作的初階研究者,這本身就要花很多心力教導。同時,行政角色上的導生,又或是其他系的學生,如果對太赫茲研究題目有興趣,他也會予以指點。
 
「總之,做就對了!」他說道。在授課的同時,自己本身也會感受到某方面知識不足,會特別去學習。還有,因為在教學時強烈感受到每一屆學生思考模式都不同,所以楊尚樺認為不可能用同一套教學方法教3年,必須要想新招。每次看到學生學會知識有所成長,心中就很有成就感。
 
楊尚樺勉勵大學生要做自己有熱情的事。(圖/簡克志攝)楊尚樺勉勵大學生要做自己有熱情的事。(圖/簡克志攝)
 
要做自己有熱情的工作

楊尚樺認為,從他帶過專題的清大大學部學生和研究生來看,絕大多數都很積極,有很多東西想學。甚至有的學生不只在他這邊做研究,也同時要求自己在臺灣大學或是中央研究院做其他領域研究。通常多工的研究路線會需要儲備更多的專業知識,以及分散研究力道,導致多方都做不好的情況。而這些學生卻產出了不錯的成果,讓他感到相當驚訝。

不過,楊尚樺也提到,就他在學校的觀察,清大表現不錯的學生,普遍也都非常焦慮。即便在課業上、研究上、綜合表現上的成果在他看來已經相當出色了,但學生依然覺得想要再多做一些事情補強。這種好學和堅毅的態度,楊尚樺打從心裡給予高度肯定。然而,讓他覺得不好的原因在於:學生無法專注做好一件重要的事。若伴隨著患得患失的心態,卻沒有發展適合自己的主要路線,即便真的做了更多的事,表現往往也不會更好。換句話說,學東西不是因為想要學多而去做,而是自己本身有強烈的動機想要專注學習。
 
楊尚樺看過一些很厲害的學生,他們並沒有一個好的目標,而且做事時會很快去計算短期之內能夠看到什麼樣的效益。沒有看到可能的效益,就很有可能會轉向。這些學生不怕做事情,怕的是沒有看到短期內的回饋,這其實不是好的學習態度,因為有些工作的效益,是不能只看短期的。
 
最後,楊尚樺也勉勵清大的學弟妹,要做自己有熱情又喜歡的事。因為如果你在做「別人」認為不錯的事情時,若這件事和你的興趣並不相符,當過程中遇到挫折時,就很容易考慮要不要往另一個方向走,而沒有辦法堅持下去。
 
但是,如果你是做自己有熱情的事情時,不管遇到什麼困難,你會廢寢忘食地不斷破關,獲得很多技能,當解決一個難題之後,你還會願意挑戰下一個關卡。看到的危機多了、功夫下得深了,你就比別人有更好的危機處理能力。堅持的道路上走得會比別人長、比別人久,你的獨特性就出來了,就比較容易出類拔萃。
 
註1:不只人眼細胞,許多地球上的生物都和可見光有互動
註2:載波頻段(Carrier frequency band):用以乘載資料的電磁波頻率區間。
 
參考資料
1. Seco-Martorell, C., López-Domínguez, V., Arauz-Garofalo, G., Redo-Sanchez, A., Palacios, J., & Tejada, J. (2013). Goya’s artwork imaging with Terahertz waves. Optics Express, 21(15), 17800. https://doi.org/10.1364/oe.21.017800
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