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基于鳍线双层近场耦合的高功率耐受氮化镓太赫兹高速片上调制器
High-Power-Handling GaN Terahertz High-Speed On-Chip Modulator Based on Fin-Line Double-Layer Near-Field Coupling
| 作者 | Hui Zhang · Yazhou Dong · Chunyang Bi · Kesen Ding · Tianchi Zhou · Hongji Zhou |
| 期刊 | IEEE Electron Device Letters |
| 出版日期 | 2025年7月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 GaN器件 多物理场耦合 |
| 相关度评分 | ★★★★★ 5.0 / 5.0 |
| 关键词 | 太赫兹调制器 氮化镓 谐振单元 功率容量 高速数据传输 |
语言:
中文摘要
为应对传统太赫兹调制器在功率处理、调制速率和系统集成协同优化方面的技术挑战，本文提出一种工作在140 GHz频段的高功率处理氮化镓（GaN）太赫兹高速片上调制器。该器件采用鳍线双层近场耦合结构，并采用加载GaN肖特基势垒二极管（SBD）的谐振单元设计。通过控制二极管的开关状态，实现了双间隙谐振模式和闭环谐振模式之间的动态切换，在139.4 - 149 GHz频率范围内实现了20 dB的调制深度和6 dB的低插入损耗。此外，通过扩大谐振单元间隙两侧的金属面积，有效降低了电场峰值强度。结合GaN材料的高击穿场强（3.3 MV/cm），实现了175 mW的功率容量突破。调制器关断状态下对二极管采用零/反向偏置策略，抑制了导通二极管中的热积累，确保了稳定的高功率运行。实验结果表明，该调制器支持25 Gbps的高速数据传输，为太赫兹通信系统提供了一种兼具高功率处理能力和高传输速率的片上解决方案。
English Abstract
To address the technical challenges in the coordinated optimization of power handling, modulation rate, and system integration for traditional terahertz modulators, this paper presents a high-power-handling gallium nitride (GaN) terahertz high-speed on-chip modulator operating in the 140 GHz frequency band. The device employs a fin-line double-layer near-field coupling structure and incorporates a resonant unit cell design loaded with GaN Schottky barrier diodes (SBDs). By controlling the switching states of the diodes, dynamic switching between dual-gap resonance mode and closed-ring resonance mode is achieved, realizing a modulation depth of 20 dB and a low insertion loss of 6 dB within the 139.4-149 GHz frequency range. Furthermore, the electric field peak intensity is effectively reduced through the expansion of metal areas on both sides of the resonant unit cell gap. Combined with the high breakdown field strength (3.3 MV/cm) of GaN material, a power capacity breakthrough of 175 mW is achieved. The zero/reverse bias strategy on diodes during the modulator’s off-state suppresses thermal accumulation in conducting diodes, ensuring stable high-power operation. Experimental results demonstrate that the modulator supports 25 Gbps high-speed data transmission, providing an on-chip solution with both high power handling and high transmission rate for terahertz communication systems.
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SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项基于氮化镓（GaN）的太赫兹调制器技术虽然主要面向通信领域，但其核心技术特性与我们在功率电子器件领域的发展方向高度契合，具有重要的技术借鉴价值。
首先，该技术对GaN材料的深度应用印证了我们在光伏逆变器和储能变流器中采用GaN功率器件的战略正确性。论文展示的3.3 MV/cm高击穿场强和175 mW功率处理能力，虽然应用场景不同，但其在高频、高功率密度条件下的热管理策略——通过零偏/反偏策略抑制热累积——对我们优化大功率逆变器的散热设计和提升系统可靠性具有启发意义。特别是在储能系统PCS（储能变流器）中，高频开关损耗和热管理一直是制约功率密度提升的关键瓶颈。
其次，该技术实现的25 Gbps高速数据传输能力，为我们构建新一代智能化能源管理系统提供了新思路。随着分布式光伏、储能电站规模扩大，海量设备间的实时通信需求日益迫切。太赫兹通信技术若能与我们的能源物联网架构结合，可能突破现有通信带宽限制，实现毫秒级的电网响应和更精准的功率调度。
然而，该技术目前仍处于实验室阶段，距离工业化应用尚有距离。主要挑战包括：太赫兹信号的传输距离受限、成本较高、环境适应性需验证。对阳光电源而言，短期内可关注其GaN器件设计理念在功率电子中的迁移应用，中长期则可探索太赫兹技术在大型能源基地内部高速通信场景的可行性，为构建下一代智能能源系统储备前沿技术。