科学家用新型集成光子电路芯片缩小“太赫兹间隙”

近日，国外研究团队宣布开发出一种极薄的芯片，该芯片上具有集成光子电路——当与激光束连接时，这种新型薄膜电路可以产生可微调的太赫兹频率波，从而利用所谓的“太赫兹间隙”（Terahertz Gap，位于电磁波谱中的0．3－30太赫兹之间）进行光谱分析和成像。

据悉，处理这种间隙目前仍是一个技术盲点（dead zone），其频率对于今天的电子和电信设备而言太快了，但对于光学和成像应用而言又太慢了。

然而，科学家们打造的这种新型芯片目前已经能够产生具有定制频率、波长、振幅和相位的太赫兹波。这种精确的控制进一步推动了太赫兹辐射用于电子和光学领域的下一代应用。

（图片来源：EPFL）

这项研究由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）、苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）和哈佛大学共同开展，其成果已发表在《自然·通讯》（Nature Communications）上。

领导EPFL工程学院混合光子学实验室（HYLAB）研究的负责人Cristina Benea－Chelmus解释称，虽然此前科学家们已成功在实验室环境中产生了太赫兹波，但之前的方法主要依赖于块晶体来产生正确的频率。

相反，她的实验室使用了由铌酸锂制成的光子电路，并由哈佛大学的合作者在纳米尺度上精细蚀刻，这使得方法更加简化。硅衬底的使用也使该器件适合集成到电子和光学系统中。

她解释称：“在非常高的频率下产生波是极具挑战性的，很少有技术可以产生独特的模式。我们现在能够设计出太赫兹波的确切时间形状——从本质上来说，我想要一个像这样的波形。”

为了实现这一目标，Benea－Chelmus的实验室设计了芯片的通道排列，称为波导（waveguides）。这样一来，微观天线就可以用来传播光纤产生的太赫兹波。

Benea－Chelmus强调称：“事实上，我们的设备已经利用了标准光信号，这确实是一个优势，因为这意味着这些新芯片可以与传统激光器一起使用，这些激光器工作得非常好，而且非常容易理解。这意味着我们的设备与电信通信功能是兼容的。”她补充称，在太赫兹范围内发送和接收信号的小型化设备，可能在第六代移动系统（6G）中发挥关键作用。

在光学领域，Benea－Chelmus认为，小型化铌酸锂芯片在光谱学和成像方面具备特殊的潜力。除了非电离的特性之外，太赫兹波的能量比目前用于提供材料成分信息的许多其他类型的波（如X射线）要低得多。因此，像铌酸锂芯片这样的紧凑、非破坏性设备可以提供一种侵入性更小的方法来替代当前的光谱技术。

接下来，Benea－Chelmus计划专注于调整芯片波导和天线的特性，以设计具有更大振幅的波形，以及更精确调谐的频率和衰减率。她还看到了其实验室开发的太赫兹技术在量子应用方面的潜力。她称，目前这种芯片投入实际应用仍有许多基本问题需要解决。例如，未来是否可以使用这种芯片来产生新型的量子辐射，并且在极短的时间尺度上进行操作。