单片铌酸锂光子芯片实现高效太赫兹-光调制与太赫兹波生成

《Nature Communications》：Monolithic lithium niobate photonic chip for efficient terahertz-optic modulation and terahertz generation

本刊推荐：针对太赫兹波段高效调制与连续波生成难题，研究团队基于石英衬底薄膜铌酸锂(TFLN)平台，开发出单片集成光子芯片。该器件通过优化太赫兹-光速度匹配与场重叠，实现了500 GHz频点8 V的低半波电压(Vπ)调制，以及4.86×10-6/W的连续太赫兹波转换效率，较现有技术提升十倍。该成果为6G通信、生物成像等应用提供了紧凑型太赫兹光电子解决方案。

　　

在电磁波谱中，太赫兹（THz）波段如同一个尚未被完全开发的“宝藏频段”，它介于微波和红外之间，蕴藏着巨大的应用潜力。从未来6G高速无线通信到无损医学成像，从化学品识别到太赫兹雷达，这个频段的技术突破将深刻改变我们的生活。然而，尽管前景广阔，太赫兹技术的发展却面临着诸多瓶颈：缺乏高效的太赫兹发射器和探测器，高频段电缆和电子器件损耗过大，以及难以实现小型化、集成化的太赫兹系统。

传统上，科学家们尝试用电子学方法来解决这些问题，但在太赫兹频段，电子器件的物理极限成为了难以逾越的障碍。这时，光子学技术提供了一条新的路径——就像微波光子学通过光学方法处理微波信号一样，太赫兹光子学有望在光域内生成、传输和处理太赫兹信号。这种方法具有天然优势：光学传输损耗低、没有固有的增益带宽限制，且便于大规模集成。

然而，实现太赫兹光子学的关键挑战在于如何建立高效的太赫兹-光学接口，包括将太赫兹信号调制到光载波上（太赫兹-光调制）以及通过光学方法产生太赫兹波（光学太赫兹生成）。这两个过程需要实现太赫兹波与光波之间的高效、相干双向转换，从而能够利用成熟的光学技术（如激光器、调制器和光纤）来完成太赫兹信号的控制、处理和传输。

在太赫兹-光调制方面，传统的电光调制器平台如硅、磷化铟和体材料铌酸锂难以实现100 GHz以上的调制带宽。虽然基于电光聚合物的调制器通过等离激元或硅槽波导结构实现了超过100 GHz的带宽，但这些器件通常存在显著的光学损耗和有限的功率处理能力。铌酸锂本身具有优异的电光特性，但其体材料调制器由于器件长度较长，在高频段射频损耗加剧，通常被限制在35 GHz左右带宽。

在太赫兹生成方面，光学差频产生（DFG）方法通过二阶非线性效应将两个频率差为太赫兹的光信号混合，为实现光学与太赫兹之间的无缝相干转换提供了可能。在众多非线性材料中，铌酸锂以其大的二阶非线性系数、高光学损伤阈值和近红外波段超低光学吸收脱颖而出。然而，现有的大多数太赫兹生成器件需要脉冲光学输入以增加瞬时泵浦功率，产生脉冲太赫兹辐射，而许多应用如6G无线通信和生物医学成像则需要连续太赫兹波源。虽然已有连续太赫兹波生成的尝试，但这些方法通常由于体晶体中非线性相互作用弱而需要数十瓦的高光学输入功率，导致功耗大、转换效率低（约10^-7/W），且器件尺寸大、实验条件复杂。

针对这些挑战，香港城市大学的研究团队在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究，他们基于薄膜铌酸锂平台，开发了一种单片集成光子芯片，首次在同一芯片上实现了高效的太赫兹-光调制和连续太赫兹波生成。这项研究为解决太赫兹光子学的核心难题提供了创新性解决方案。

研究团队采用了几个关键技术方法：首先，他们使用石英衬底的薄膜铌酸锂平台，通过优化太赫兹-光协同设计，同时实现了速度匹配、阻抗匹配、太赫兹与光波的大重叠以及低太赫兹传输损耗；其次，设计了慢波电极结构，通过周期性加载的电容性电极实现太赫兹相速度与光学群速度的匹配；第三，采用共面波导传输线结构，尽管比介质波导的传输损耗高，但能够实现深亚波长太赫兹场限制，显著增加非线性重叠；最后，通过电子束光刻、干法刻蚀等微纳加工工艺制备了高质量器件。

工作原理与器件设计

该双功能单片集成铌酸锂光子平台的示意图展示了一种支持光学与太赫兹波之间强相互作用且速度匹配的结构。研究团队采用了具有慢波电极设计的金属共面波导传输线，如图1a所示。这种选择虽然比介质波导的太赫兹传输损耗高，但允许太赫兹场在金属电极间隙内实现深亚波长限制，显著提高了太赫兹模式与光学模式之间的非线性重叠。

图1b和1c分别展示了500 GHz太赫兹波和200 THz光学模式的模拟电场分布，两者都显示出沿z晶体方向的强场限制，这使得能够利用铌酸锂中最大的χ⁽²⁾张量分量。在太赫兹-光调制过程中，入射的横电模光从左侧被分成马赫-曾德尔干涉仪的两个分支，与限制在接地-信号-接地传输线中的太赫兹波共同传播。相位调制通过泡克尔斯效应在推挽配置下沿两个臂累积，最终在重新组合时转换为幅度调制。图1d展示了调制过程的频域示意图，产生与载波分离太赫兹信号频率的一阶边带。另一方面，太赫兹生成采用类似的器件配置但没有MZI结构，两个频率相近、偏振相同的光源被合并并从同一端口引入光波导。两个光波与太赫兹波之间的强非线性重叠导致混频并产生频率差对应的太赫兹信号，如图1e所示。

基本电光和电学特性

研究人员首先对器件的基本电光和电学特性进行了详细表征。8毫米长的MZI电光调制器在三角电压扫描下测得的低频V_π为3.04 V，对应的电压长度乘积V_πL为2.43 V·cm，与TFLN平台的先前结果一致，表明器件具有良好的电光重叠。通过矢量网络分析仪测量慢波传输线在太赫兹频率下的散射参数，提取的太赫兹相位指数约为2.26，与光学群指数匹配。测量得到的传输线特征阻抗约为46 Ω，接近目标50 Ω阻抗。该TFLN-on-quartz器件在300 GHz处的总体太赫兹传播损耗为14 dB/cm，显著低于之前在硅衬底上的设计， extrapolate到500 GHz处约为2 dB/mm的传播损耗，足以支持5-8毫米的总器件长度而不会导致过度的太赫波衰减。

片上太赫兹-光调制

研究团队展示了高达500 GHz的低电压太赫兹-光调制性能。在10-500 GHz的高频段，通过光学频谱分析仪分析不同频率下的一阶边带与载波的功率比来确定RF V_π值。测量结果显示，整个测量频率范围内都保持了低RF V_π，即在300 GHz处为6 V，在500 GHz处为8 V。与之前在硅衬底上的TFLN器件相比，在500 GHz处的RF V_π降低了3.5倍，导致调制功耗降低了一个数量级以上。该器件实现了145 GHz的3 dB带宽和310 GHz的6 dB带宽，显著超越了所有先前测量的LN基调制器的带宽。

片上连续太赫兹波生成

研究人员在220 GHz至500 GHz的宽频率范围内展示了高效、连续波且高度可调的太赫兹生成。这里使用直波导设计，光学波导穿过GSG传输线的一个电介质间隙。图4b展示了在8 dBm的总片上光学泵浦功率下测量的太赫兹信号频谱，即使在500 GHz的上限测量极限处也没有观察到明显的效率下降。通过将输出探针放置在传输线的不同位置，研究人员测量了不同器件长度下的生成太赫兹功率。最高测量的太赫兹生成效率在10毫米器件长度下分别为：300 GHz处2.90×10^-6/W，400 GHz处4.13×10^-6/W，500 GHz处4.86×10^-6/W。实验结果显示，即使在10毫米长度处，太赫兹转换效率仍呈现强劲的上升趋势，与考虑测量太赫兹损耗的完整理论模型吻合良好。

研究人员进一步评估了输入输出功率关系，通过同时增加两个激光器的输入功率，发现在280、360和400 GHz三个频率处，输出太赫兹功率与输入光学功率之间呈现良好的二次方关系，双对数图中的线性拟合曲线斜率约为2。与需要数十瓦峰值泵浦功率的其他技术相比，该系统可以使用亚瓦级输入功率实现微瓦级输出，显著降低了功耗同时保持了优异的频率可调性。

高速电-太赫兹调制

最后，研究团队通过成熟且经济高效的光学调制技术展示了生成太赫兹波的高速调制能力。实验设置中，一个光学泵浦信号首先被标准商用电光调制器或基于相同TFLN-on-quartz衬底的内部制作片上调制器调制，然后与中心频率差为420 GHz的另一个泵浦激光器混合。测量结果显示，光学和电谱中载波与边带之间的功率比高度一致，如在35 GHz处光学为7.96 dB，电学为8.08 dB。目前实现的最高电-太赫兹调制频率为65 GHz，受限于探针和混频器的带宽。

研究结论与意义

这项研究成功展示了一种双功能TFLN光子集成电路，能够同时执行太赫兹-光调制和连续太赫兹波生成。该平台中的强双向太赫兹-光相互作用使得能够实现高效的太赫兹-光调制，在300 GHz处具有6 V的低RF V_π值，在500 GHz处为8 V，同时在220至500 GHz的宽频率范围内实现了破纪录的连续太赫兹波生成效率，超过10^-6/W。太赫兹-光转换过程中的优异相干性为光域内太赫兹信号的生成、传输和处理提供了一个高效且多功能的工具箱，即太赫兹光子学，可能受益于需要高级信号编码和解码的各种应用。

通过光学方法实现太赫兹信号的高速调制，为这一概念提供了首个证明。进一步在同一平台上集成功能性光学和太赫兹元件，包括幅度和相位调制器、光学滤波器、延迟线和片上天线，可以实现高度集成和多功能的太赫兹光子学系统，应用于高速太赫兹通信和高分辨率太赫兹测距与成像。这项研究为开发更紧凑、高效且经济实惠的太赫兹系统铺平了道路，有望推动太赫兹技术在通信、传感和光谱学等领域的广泛应用。

研究还指出，通过将系统嵌入跑道形光学谐振器中，太赫兹波生成效率原则上可以进一步增强。虽然这种谐振系统只允许在离散频率处发射太赫兹，但能够在宽范围步进频率下生成连续波太赫兹信号的能力仍然为许多应用提供了重要潜力。未来的工作可以探索更长的电极长度和谐振结构设计，以进一步提高转换效率，扩展工作频率范围，并实现更复杂的功能集成。