- 本文轉載自科技大觀園，原文為《太赫茲技術：6G 無線通訊與生物影像感測的希望之星》
- 作者 / 科技大觀園團隊｜簡克志
「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。
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》（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。
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。
注釋
- 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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