前言-從「光譜缺口」到新科學新產業

      在人類探索自然萬物的過程中，電磁波光譜始終是物理學的核心舞台之一。自十九世紀馬克士威方程式建立以來，無線電波、紅外光、可見光、紫外光、X光乃至伽瑪射線，逐一被發現並加以應用，勾勒成一幅橫跨十幾個數量級的「頻率地圖」，如圖（一）所示。這張光譜圖像既是物理學教科書的核心章節，也是科技發展的指引：無線電推動了全球廣播與行動通訊，可見光與紅外光成就了光電與資訊產業，高能的X光與伽瑪射線則開啟了現代醫學影像與核子科學。對筆者而言，這張光譜並非只是靜止在課本裡的圖表，而是一路伴隨其研究與學習的真實場域。

圖（一） 電磁波譜示意圖。 (圖片資料來源:Wikimedia commons)

 

      然而，在這張看似完整的圖譜之中，卻存在一塊長期被忽視的拼圖—頻率落在 0.1 到 10 兆赫之間的兆赫茲輻射（Terahertz （THz） Radiation, 1 THz = 10¹² Hz，也被翻成太赫茲輻射或T-ray）。「兆赫茲」一詞源自於國際單位制（SI）的Tera，對應的中文傳統譯法就是「兆」。另一方面，「太赫茲」則在中國逐漸成為主流的譯名。主要原因是「兆」在中文裡曾有不同數值含義（既可指百萬，也可指萬億），為避免混淆，故選擇使用「太」作為前綴，除了與Tera其音的貼近外，更用來凸顯「極高頻率」之意。本文將以「兆赫茲」來呈現，以兼顧專業一致性與臺灣讀者的熟悉度。此波段既不像微波能以電子電路輕易產生，也不像可見光或近紅外光能以傳統光學元件方便操控；長期缺乏穩定波源與高靈敏接收器，使得科學家對其理解僅止於理論推測。更具挑戰的是，兆赫茲波展現了不同於其他頻段的性質：金屬在此範圍內反射特別強烈，水分子則表現出極高的吸收，而固體材料的低能激發能量（如光學聲子、摻雜能階、超導能隙與載子動力學）也多落在此頻段。這些特性既揭示了豐富的物理內涵，也讓測量與應用面臨難題，因此兆赫茲頻段長期被稱為「光譜缺口」（THz Gap）。

      這個僵局直到 1990 年代左右才迎來突破。隨著飛秒雷射的成熟，研究者首次能以「超快光學」的方法，在時域中觸發光導開關直接產生並量測兆赫茲脈衝。麻省理工學院（MIT）、萊斯大學（Rice University）等團隊率先展示光導天線（Photoconductive antenna）與電光取樣（Electro-optic sampling）技術，並開創了兆赫茲時域光譜（THz Time-domain Spectroscopy, THz-TDS）之檢測技術，如圖（二）所示意。

圖（二） 兆赫波時析光譜儀示意圖。 (圖片資料來源:Wikimedia commons)

      自此之後，兆赫茲技術的突破迅速點燃全球熱潮。在1990年末，日本 NTT 探索兆赫茲通訊，提出以兆赫茲波進行無線資料傳輸，望突破Gb/s到Tb/s的構想，為未來6G通訊奠定基礎，德國與歐洲同步輻射實驗室則利用兆赫茲波探測高溫超導體與新奇量子材料，揭示了電子在皮秒尺度的動態行為，美國國防高等研究計畫署（DARPA）更將兆赫輻射科技視為國防與安全的戰略重點，支持研發用於隱藏武器與爆裂物檢測的兆赫茲波成像系統。在短短三十年間，兆赫茲科學由冷門議題躍升為跨領域前沿研究。

      臺灣的科研在這個時期也沒有停滯，自1980年代以來，臺灣的發展也與國際兆赫茲科學發展之脈動互相呼應，在半導體與光電領域累積了雄厚基礎。其中，在筆者出生的1986年，臺灣政府開始籌備台灣積體電路製造股份有限公司（簡稱台積電，TSMC，於1987年正式成立）。此外，工業技術研究院（ITRI）於同年也正式啟用Very Large Scale Integration（VLSI）實驗工廠，奠定日後晶圓代工的技術底蘊。

      無獨有偶，在同年，國立交通大學（交大）光電工程研究所的潘犀靈教授（潘教授，其後來為筆者之專題、碩士、博士論文的指導教授）前往加州大學柏克萊分校（UC Berkeley），並在Roger Falcone教授（其後來為筆者在勞倫茲柏克萊國家實驗室之主管）指導下展開研究，與John Roy Whinnery及S. Wang合作，學習到當時最前沿的超快光電子學（Ultrafast Optoelectronics）。回國之後，潘教授正式投入此類相關研究，而這一領域恰恰構成了兆赫茲科學的核心關鍵。原因在於，兆赫茲波的頻率範圍所對應的時間尺度約為皮秒（10⁻¹² 秒），唯有能在皮秒甚至飛秒（10⁻¹⁵ 秒）尺度下操作與解析的超快光學技術，才能有效產生並量測兆赫茲輻射。這些早期的投入不僅讓臺灣在國際舞臺上掌握了前沿工具，也為往後兆赫茲科技與物理的發展奠定了堅實基礎。

      進入2000年代，交大潘教授團隊建立了第一批兆赫茲時域光譜系統，開始投入GaAs:As⁺光電材料、低溫砷化鎵 (LT-GaAs)、以及液晶調控器件等研究。而筆者也在第一屆國立交通大學光電系求學期間（約2005年），加入潘教授的實驗室進行專題研究，投入超快雷射與兆赫茲波的實驗，接觸到可以解析皮秒與飛秒尺度的脈衝量測系統，一直到後來在國立臺灣師範大學光電所任教，努力推動非接觸式兆赫茲量測技術，與將之應用於晶圓光電特性與材料缺陷檢測技術，筆者更深刻體會到兆赫茲頻段如何填補了光譜的空白，成為跨越基礎物理與產業應用的橋樑。筆者回首，從第一次接觸兆赫茲科學至今，圖（一）這張「頻率地圖」，它不僅展現了人類對自然的理解軌跡，也映照出臺灣在半導體與光電產業鏈上的獨特優勢，為兆赫茲科學與物理開啟了新的可能性。

      然而，這些努力並非只是追趕國際，而是找到了與臺灣產業的天然連結。除了半導體業之外，光電與顯示產業需要新型調制技術，兆赫茲波超穎結構提供了突破口。此外，通訊產業正面臨6G頻段的挑戰，兆赫茲則是最被看好的候選技術之一。換言之，身處世界的半導體與光電中心的臺灣，跨越頻譜缺口，正好對應了臺灣產業升級的需求。不知不覺中，兆赫茲科技已經走在成為臺灣科學研究與產業創新的共同語言那條路上。

 

兆赫茲波有趣的物理特性

      在兆赫茲頻段，物質展現出的行為與我們熟悉的光學或微波頻段都截然不同，這些差異既反映了電磁波在不同能量、波長尺度下的本質特徵，也為科學的應用場域提供新的契機。其中，前述之兆赫波時析光譜儀技術功不可沒，可以透過同時得到兆赫輻射之電場與相位，得到物質重要的光電特性資訊。圖（三）與圖（四）分別為由光譜儀所獲得之電場振幅，與經過快速傅立葉轉換之頻域相關資訊。

圖（三） 兆赫波之時域電場圖 (圖片資料來源:Wikimedia commons)

圖（四）兆赫波之頻域光譜圖(圖片資料來源:Wikimedia commons)

 

      首先，金屬在兆赫茲頻段的行為十分直觀，主要是由於金屬的電漿頻率遠高於兆赫茲頻率，故它們在此頻段表現為近乎理想的導體。對兆赫茲波而言，金屬就像一面近乎完美的鏡子，入射能量幾乎全數被反射，穿透率趨近於零。這一特徵雖使得兆赫茲波難以探測金屬內部結構，但卻意外成為半導體製程檢測與先進封裝量測的關鍵機制。金屬/介電界面的強烈反射訊號可用來界定層間厚度、定位封裝中的空隙或裂縫，甚至評估薄膜沉積的均勻性。如圖（五）所示，這張圖展示了兆赫茲成像在封裝積體電路(IC)檢測中的潛力。與傳統X光相比，兆赫茲波屬於非電離輻射，其解析度受限於波長，原始影像往往模糊。透過一系列演算法，包括時間濾波、去卷積、繞射抑制與超解析度重建，兆赫茲成像能逐步提升解析度，最終清晰呈現出IC內部金屬導線結構。這顯示兆赫茲技術不僅可作為X光的安全替代與互補工具，更具備應用於半導體非破壞檢測的發展潛力。

圖（五）不同成像技術在封裝積體電路 (IC) 的檢測過程中所能提供的資訊，特別是兆赫茲成像技術如何透過訊號處理逐步提升解析度，最終達到與 X 光相近甚至互補的檢測能力(圖片資料來源:Wikimedia commons)

      此外，這種近似完美導體的行為也是設計兆赫茲波導、反射鏡與超穎材料的理論基礎。透過對反射特性的精確操控，研究人員得以發展高Q值共振器與可調控的人工結構，推進元件功能化與感測靈敏度之提升。其中，超穎材料透過次波長結構設計，如圖（六）所示，展現出自然界少有的電磁響應。由於兆赫茲之波長落在數十至數百微米之間，適合微奈米製程實現各式共振結構。這些超穎材的設計能精準調控反射、透射與偏振，發展出如超穎透鏡、感測器等元件，為材料檢測、生醫影像、6G通訊與資訊光學提供了關鍵技術，成為連結基礎物理與前瞻應用的重要平台。

圖（六）次波長結構設計之兆赫茲超穎材料(圖片資料來源:Wikimedia commons)

      與金屬截然不同，水分子在兆赫茲頻域則展現出極強的吸收效應。這一現象並非偶然，而是源自於水分子特有的分子轉動能階，以及液態水中氫鍵的集體振動模態。由於這些低能模態恰好對應兆赫茲波之頻率，入射的兆赫茲波能量會迅速被吸收並耗散。因此，一旦兆赫茲波進入含水環境，其傳輸距離大幅受限，難以深入厚生物組織或高含水的材料內部。這種限制性看似不利於穿透式成像，但卻賦予了兆赫茲波對「水含量」的高度選擇性與靈敏性，成為獨特的應用情境。實際上，這一特性已被應用於藥物錠劑的品質檢測，以確保其含水率達到製程規範，進而影響藥效與保存；在食品科學中，兆赫茲波亦被用於監控加工與保存過程中的水分變化；在醫學生物領域，研究者利用兆赫茲波區分病變與健康皮膚組織，因為癌變組織的含水率往往高於正常組織。此外，如圖（七）所示，最左邊是一般癌症組織切片的光學顯微影像，而右側四張分別是使用不同頻率的太赫茲波（300 GHz、400 GHz、500 GHz、600 GHz）所觀察到的影像。在不同頻率下，影像的吸收與散射情形不同。這是因為生物組織內的水含量、分子振動模態與結構異質性會影響兆赫茲波的穿透與吸收。較深色的區域代表相對吸收較強或穿透較弱，可能與含水量較高或病變組織相關；而亮色區域則顯示相對較低吸收。所觀察到的影像。由此可見，水分子強吸收雖限制了兆赫茲波的穿透深度，卻也為其在含水環境的診斷與監測上提供了不可替代的工具。

圖（七）傳統病理切片（Histology Slide）與不同頻率之兆赫輻射影像的對比。 (圖片資料來源:Wikimedia commons)

      更引人注目的是，許多固體材料的低能激發模式恰好落在兆赫茲頻段，使其成為研究材料物理與電子動力學的最佳候選人。例如，晶格中的光學聲子振動通常位於1–10 THz，因此兆赫茲光譜學能直接探測晶格動態，研究材料的熱傳導特性與相變行為。某些半導體摻雜能階或局域態能量位於meV等級，對應兆赫輻射的光子能量，使得兆赫茲波成為非破壞式檢測摻雜濃度與缺陷分佈的理想工具。在超導體研究中，其能隙往往位於數meV的範圍，正好能以兆赫輻射進行直接探測。更進一步，兆赫茲頻率對應的時間尺度在皮秒等級，與載子的散射、遷移與再結合過程精確匹配，使其能夠捕捉到載子在非平衡狀態下的超快動力學行為。這些觀測結果不僅對半導體與量子材料的基礎研究具有深遠意義，也直接推動了新一代光電元件的開發，例如超高速調制器、非線性光學開關，以及支撐 6G通訊所需的兆赫茲光子技術。

      當然，這些豐富的物理特性同時也帶來了測量上的挑戰。兆赫茲波源的功率通常有限，訊號強度微弱，再加上大氣中水汽的強吸收效應，導致訊號在自由空間傳輸中極易衰減。因此，成功的實驗往往仰賴超快光學技術產生與探測兆赫輻射脈衝，並配合高靈敏度的電光取樣器件或光導天線，甚至需要在低溫與低雜訊環境下操作，以提升訊號品質並提取出隱藏於其中的物理資訊。

      綜合而言，金屬強反射、水分子強吸收與固體低能激發這三大特徵，構築了兆赫茲科學在材料檢測、生醫診斷與資訊光學上的核心價值。它們使我們得以從不同維度理解物質世界：從金屬的理想導體行為，到水分子的分子動力學，再到晶格與電子在皮秒尺度下的瞬息萬變。換句話說，兆赫茲頻段雖曾因技術門檻而被視為「光譜缺口」，如今卻展現出無窮魅力，不僅豐富了物理學的研究內涵，更為半導體檢測、生命醫學與下世代光電器件開發鋪設了嶄新的應用藍圖。

 

臺灣兆赫茲波的研究經驗與產業機會

      臺灣的兆赫茲科學發展，可以說是以大學實驗室為起點，逐步擴展到跨校合作與國家級實驗設施，並逐漸與半導體、光電與通訊產業鏈結合，展現了「學研—產業」雙軌並進的特色。潘犀靈教授團隊在1990年代率先以自製飛秒雷射系統推動兆赫茲光電材料與元件研究，並開發調控器件。在應用層面，筆者進一步開發出非接觸晶圓檢測技術，能在無損傷情況下量測翹曲與缺陷分佈，與半導體產業的需求高度契合。於光電與顯示領域方面，兆赫波高效率調制器、光子晶體與超穎透鏡等新興元件，未來有望與臺灣既有面板與光學產業鏈結合，創造差異化優勢。在通訊與國防領域中，兆赫茲頻段已被視為 6G/7G 的核心候選方案，臺灣若能結合 IC 設計與射頻元件實力，便有望在國際通訊標準制定中占據領先地位。此外，國家同步輻射中心（NSRRC）發展高亮度電子束與自由電子雷射（FEL），提供高品質的兆赫茲脈衝源；而中央研究院則結合超快雷射與兆赫茲發射光譜，揭示許多新穎材料中的非線性光電流行為，並拓展至生醫檢測與奈米光電元件，體現了從基礎物理到應用科學的全面整合。

      更重要的是，臺灣具備從學研基礎研究到工研院與產業界快速轉譯的短鏈路機制，使我們不僅是追隨者，更有潛力成為推動者。若能進一步將兆赫茲科技納入產業鏈與國家戰略，並透過跨校合作與產業聯盟（如亞洲太赫茲產業發展協會）強化布局，臺灣將不僅參與國際兆赫茲科學浪潮，更可能在未來應用版圖中扮演領導角色。

 

未來的挑戰與結語

      兆赫茲科技的獨特價值，在於它正處於基礎物理與產業應用的臨界點，能同時驅動材料檢測、通訊、醫療與光電等多重領域。國際上，美國將兆赫茲列為國防與安全的戰略技術，日本積極投入6G通訊，歐洲則專注於高溫超導與先進光譜學。而臺灣的切入點更具特色，因為我們在半導體、光電顯示、通訊與生醫產業鏈上具備完整優勢，使兆赫茲科技與產業需求形成高度契合。

    在半導體檢測領域，兆赫茲波的非接觸與非破壞特性，能精準量測晶圓翹曲、層間應力與封裝缺陷，呼應台積電、日月光等廠商在先進製程上的迫切需求；在光電顯示產業，兆赫茲調制器與超穎結構則可望帶來新一代影像與檢測技術，協助臺灣面板產業跳脫紅海競爭；在通訊與國防方面，兆赫茲頻段被視為6G甚至是7G的關鍵候選方案，若能結合臺灣在 IC 設計與射頻元件的實力，將有望在未來全球通訊標準制定中占據先機；而在生醫與材料科學上，兆赫茲波的高吸水性與對低能模態激發的靈敏度，使其可應用於癌症早期診斷、藥物品質檢測以及奈米材料的研究。綜合而言，兆赫茲波的物理特性與臺灣核心產業需求天然契合，構築出一個難得的優勢定位。

    然而，要讓其真正走出實驗室並進入大規模應用，仍需克服多重挑戰，包括高功率光源與高靈敏偵測器的開發、大氣吸收對長距離傳輸的限制，以及系統標準化與量產化的瓶頸。這同時也是創新的舞台：若能整合大學與研究機構的基礎能量、工研院與產業界的轉譯能力，再加上政策支持與國際合作，臺灣不僅能補上光譜的缺口，更有潛力在全球兆赫茲科學與應用的浪潮中成為推動者。筆者也打從心裡相信，未來十年，「跨越電磁波頻譜缺口」將不只是學術上的未竟之業，更是臺灣科學與產業並進下邁向新黃金時代的重要起點。

 

註:部分文字內容有經過生成式AI之編修。