基于薄膜铌酸锂的3太赫兹带宽太赫兹差分场探测器研究

为解决宽带高灵敏度太赫兹探测的技术瓶颈，研究人员开发了基于薄膜铌酸锂（TFLN）波导与谐振天线的集成化太赫兹场探测器。该器件通过马赫-曾德尔干涉仪结构实现3 THz带宽探测，噪声等效腔内场低至1.9 V·m-1，为量子光学和光谱学应用提供了新一代紧凑型探测解决方案。

　　

在光谱学、量子物理和通信领域，太赫兹（THz）辐射的探测一直面临着重大技术挑战。传统探测系统通常体积庞大、对齐敏感，且带宽和灵敏度受限。尤其在高频段（>1 THz），现有技术的性能急剧下降。此外，量子光学研究需要同时测量电场及其时间导数这一对共轭量，而传统方法难以实现这种复合探测。

为解决这些问题，苏黎世联邦理工学院和哈佛大学的研究团队在《Nature Communications》发表了一项突破性研究。他们利用薄膜铌酸锂（Thin-Film Lithium Niobate, TFLN）平台，开发了一种集成了谐振天线的宽带高灵敏度太赫兹探测器。该器件通过创新的天线设计和波导结构，实现了高达3 THz的探测带宽，并首次在集成平台上实现了电场及其时间导数的同步测量能力。

研究采用了几项关键技术方法：

1. 1.
   基于薄膜铌酸锂的微纳加工技术制备集成波导和天线结构；
2. 2.
   飞秒脉冲激光系统（1560 nm和780 nm双波长）作为泵浦和探测源；
3. 3.
   马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder Interferometer, MZI）差分探测架构；
4. 4.
   时域太赫兹光谱（Terahertz Time-Domain Spectroscopy, THz-TDS）表征系统；
5. 5.
   基于光电导天线的太赫兹发射源作为校准参考。

结果部分

干涉仪结构的双点差分信号

通过将两个金制太赫兹天线沿铌酸锂波导非对称放置，研究人员构建了集成MZI结构。

这种设计利用天线间距（ΔL）产生时间延迟δt_shift，使探测脉冲在两个臂中分别与不同时刻的太赫兹场相互作用。测得信号正比于E_gap(τ+δt/2) - E_gap(τ-δt/2)，实现了对太赫兹波形时间导数的有效测量。实验显示，当天线臂长从200 μm减小到40 μm时，谐振频率从0.22 THz提高到1.03 THz。

实验观测与模拟对比

研究人员对比了40 μm天线测得的时域信号与理论模型（公式1和2）。结果显示，完整模型（考虑有限脉冲长度和相位匹配）的峰值调制比简化模型低0.59倍，与实验测量值更为接近。频谱分析表明，探测器的响应频率范围可达3 THz，远超传统体材料电光采样技术的限制。

集成太赫兹探测的带宽

与200 μm厚碲化锌（ZnTe）晶体的电光采样相比，尽管集成器件的相互作用长度仅7.5 μm，但由于天线场增强效应，其在谐振频率处的相对调制量反而更高。噪声分析表明，在76 μW探测功率下，实现了1.9 V·m^-1的噪声等效场内场（噪声等效自由空间场4.6 kV·m^-1）。

探测功率可扩展性

在0.26 μW至160 μW的探测功率范围内，器件表现出良好的线性响应，无饱和现象。最低噪声等效场在76 μW时达到1.9 V·m^-1，接近散粒噪声极限。该结果证明了器件在低功耗应用中的潜力。

基于单天线的导数探测

通过单天线结合光谱滤波的创新方案，实现了对太赫兹场时间导数的直接测量。探测脉冲与太赫兹场相互作用产生光谱频移δω = g_eo?_tE，通过短通滤波器（截止波长1575 nm）转换为强度调制。测得信号与干涉仪装置结果频谱特征高度一致，但高频成分略有增强。

讨论与结论

该研究成功演示了基于薄膜铌酸锂平台的宽带高灵敏度太赫兹探测技术。两种探测方案——干涉仪差分探测和单天线导数探测——不仅简化了制备工艺，更重要的是为量子计量学提供了同时测量电场及其时间导数的能力。器件的3 THz探测带宽突破了体材料铌酸锂4.5 THz声子共振的传统限制，这主要归功于仅300 nm厚的薄膜结构极大地降低了太赫兹波与材料的相互作用。

研究结果表明，通过优化天线设计（如采用裂环谐振器）和改善光栅耦合器效率，可进一步提升器件性能。与已报道的薄膜铌酸锂太赫兹波产生技术相结合，这项工作为实现完全集成的太赫兹时域光谱系统奠定了坚实基础。这种微型化平台将显著推动太赫兹技术在量子光学、分子光谱学和医疗成像等领域的应用，特别是为研究量子光场涨落和源辐射特性提供了新型工具。

未来通过集成热电相位调制器和平衡探测方案，可进一步提高信噪比和操作稳定性。该项技术不仅解决了传统太赫兹探测系统的体积和灵敏度限制，更开辟了在芯片尺度上操控和测量量子光场的新途径。