中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所研究團隊在太赫茲驅動(dòng)聲子極化激元產(chǎn)生及相干調制機理方面取得進(jìn)展。
高速信號調制技術(shù)是光通信、數據中心、量子計算等領(lǐng)域的核心。近年來(lái)，硅基和鈮酸鋰基兩大技術(shù)路線(xiàn)在材料集成、工藝突破與應用場(chǎng)景擴展方面均取得進(jìn)展。目前已實(shí)現數百GHz的信號調制，但受限于電極微波與光波速度失配等問(wèn)題，達到THz頻率的高速調制仍面臨挑戰。
此前，研究團隊實(shí)現了基于鈮酸鋰晶體的最強THz脈沖源能量紀錄13.9?mJ；發(fā)展了超越MeV的太赫茲波導電子槍?zhuān)谥讣獬叽缇嚯x實(shí)現最高1.1 MeV的電子能量增益。團隊針對調控機理及器件研發(fā)等目標展開(kāi)攻關(guān)，研究了寬禁帶半導體ZnO中聲子極化激元（PhP）的產(chǎn)生機制及調制原理。
PhP是由紅外活性光學(xué)聲子與電磁波強耦合而形成的準粒子，具有方向性強、電場(chǎng)限域能力高等特性，廣泛存在于極性晶體中，特別活躍于THz頻段。研究人員在自主搭建的超快THz泵浦-探測系統上，通過(guò)調控THz場(chǎng)強、偏振、紅外光波長(cháng)等，激發(fā)出3~4 THz范圍內的PhP。該PhP以THz頻率調控ZnO晶體內極化反轉，進(jìn)而激發(fā)光波的SHG過(guò)程，且產(chǎn)生的光學(xué)SHG相位以THz頻率變化。這一相位高速調制的光信號與晶體內本征SHG干涉，可實(shí)現光信號強度的THz頻率調制。這種通過(guò)調控相位實(shí)現信號強度高速調制的機制，可類(lèi)比于鈮酸鋰基光信號調制原理，但調制頻率提高了一個(gè)量級。得益于ZnO晶體中PhP的低損耗和高反射特性，PhP在1mm晶體內完成9次反射，對SHG信號實(shí)現了持續約90ps、消光比約18 dB、頻率3~4THz的高速調制。
這種基于THz-PhP驅動(dòng)的光學(xué)SHG產(chǎn)生與調制過(guò)程，構建了全新的時(shí)頻聯(lián)合控制平臺。相比于傳統非線(xiàn)性調制器，PhP系統具備兩個(gè)優(yōu)勢。一是工作頻率覆蓋THz至中紅外的寬廣頻段，滿(mǎn)足高帶寬應用需求；二是其周期性傳播結構天然適配相干控制，能夠將THz振蕩特征嵌入通信波段光學(xué)響應中，適用于構建頻率轉換器件。
上述研究構建了光聲準粒子機制-光脈沖調制器，對THz超高重頻激光研發(fā)具有重要意義，有望作為T(mén)Hz頻率調制器等核心部件應用于超高速光信息通訊領(lǐng)域。
相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家重點(diǎn)研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金等支持。
（a）-（c）展示利用紅外探測光研究THz-PhP激發(fā)和傳輸動(dòng)力學(xué)，（d）展示THz輔助聲子激發(fā)及THz-PhP演化實(shí)驗結果與相位匹配機理
