近日,中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所研究團(tuán)隊(duì)在太赫茲驅(qū)動(dòng)聲子極化激元產(chǎn)生及相干調(diào)制機(jī)理方面取得進(jìn)展。

高速信號(hào)調(diào)制技術(shù)是光通信、數(shù)據(jù)中心、量子計(jì)算等領(lǐng)域的核心。近年來(lái),硅基和鈮酸鋰基兩大技術(shù)路線在材料集成、工藝突破與應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展方面均取得進(jìn)展。目前已實(shí)現(xiàn)數(shù)百GHz的信號(hào)調(diào)制,但受限于電極微波與光波速度失配等問(wèn)題,達(dá)到THz頻率的高速調(diào)制仍面臨挑戰(zhàn)。

此前,研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了基于鈮酸鋰晶體的最強(qiáng)THz脈沖源能量紀(jì)錄13.9?mJ;發(fā)展了超越MeV的太赫茲波導(dǎo)電子槍,在指尖尺寸距離實(shí)現(xiàn)最高1.1 MeV的電子能量增益。團(tuán)隊(duì)針對(duì)調(diào)控機(jī)理及器件研發(fā)等目標(biāo)展開(kāi)攻關(guān),研究了寬禁帶半導(dǎo)體ZnO中聲子極化激元(PhP)的產(chǎn)生機(jī)制及調(diào)制原理。

PhP是由紅外活性光學(xué)聲子與電磁波強(qiáng)耦合而形成的準(zhǔn)粒子,具有方向性強(qiáng)、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(cè)系統(tǒng)上,通過(guò)調(diào)控THz場(chǎng)強(qiáng)、偏振、紅外光波長(zhǎng)等,激發(fā)出3~4 THz范圍內(nèi)的PhP。該P(yáng)hP以THz頻率調(diào)控ZnO晶體內(nèi)極化反轉(zhuǎn),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(diào)制的光信號(hào)與晶體內(nèi)本征SHG干涉,可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)強(qiáng)度的THz頻率調(diào)制。這種通過(guò)調(diào)控相位實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度高速調(diào)制的機(jī)制,可類比于鈮酸鋰基光信號(hào)調(diào)制原理,但調(diào)制頻率提高了一個(gè)量級(jí)。得益于ZnO晶體中PhP的低損耗和高反射特性,PhP在1mm晶體內(nèi)完成9次反射,對(duì)SHG信號(hào)實(shí)現(xiàn)了持續(xù)約90ps、消光比約18 dB、頻率3~4THz的高速調(diào)制。

這種基于THz-PhP驅(qū)動(dòng)的光學(xué)SHG產(chǎn)生與調(diào)制過(guò)程,構(gòu)建了全新的時(shí)頻聯(lián)合控制平臺(tái)。相比于傳統(tǒng)非線性調(diào)制器,PhP系統(tǒng)具備兩個(gè)優(yōu)勢(shì)。一是工作頻率覆蓋THz至中紅外的寬廣頻段,滿足高帶寬應(yīng)用需求;二是其周期性傳播結(jié)構(gòu)天然適配相干控制,能夠?qū)Hz振蕩特征嵌入通信波段光學(xué)響應(yīng)中,適用于構(gòu)建頻率轉(zhuǎn)換器件。

上述研究構(gòu)建了光聲準(zhǔn)粒子機(jī)制-光脈沖調(diào)制器,對(duì)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(diào)制器等核心部件應(yīng)用于超高速光信息通訊領(lǐng)域。

相關(guān)研究成果在線發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Communications)上。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金等支持。

(a)-(c)展示利用紅外探測(cè)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(yàn)結(jié)果與相位匹配機(jī)理