光子集成太赫兹传输线：实现宽带低噪声太赫兹生成与检测的薄膜铌酸锂平台

研究人员针对太赫兹（THz）技术在通信与传感中面临的电子学效率低、光学域接口缺失等挑战，在薄膜铌酸锂（TFLN）平台上集成了太赫兹传输线与光学波导。通过相位匹配设计实现了四倍频程（200 GHz至3.5 THz）的宽带太赫兹生成与检测，场强提升两个数量级，动态范围达60 dB。该研究为6G通信、光谱学和量子电动力学提供了紧凑高效的片上解决方案。

　　

在6G通信、无损成像和分子光谱等领域，太赫兹（THz）频段（0.1-10 THz）因其大带宽特性备受关注。然而现有电子学器件在1 THz以上效率骤降，而光学方法又受限于体块非线性晶体的体积和相位失配问题。传统方案如倾斜脉冲前技术会产生非高斯光束，周期性极化铌酸锂（PPLN）则带宽受限。如何实现宽带、低噪声且可集成的太赫兹系统成为关键挑战。

哈佛大学（Harvard University）和瑞士联邦理工学院（EPFL）的研究团队创新性地将太赫兹传输线与薄膜铌酸锂（TFLN）光子电路集成，通过黄金带状线实现太赫兹场约束与光学群速度匹配。该设计支持从200 GHz到3.5 THz的宽带相位匹配，相干长度在1 THz时达5 mm。研究人员采用飞秒光纤激光（1550 nm中心波长）作为泵浦源，通过边缘耦合和色散补偿将脉冲压缩至60 fs，利用铌酸锂最大非线性系数χ₃₃₃⁽²⁾=360 pm/V实现高效光学整流（OR）。检测端则通过马赫-曾德尔干涉仪实现片上电光采样（EOS），在100 ms积分时间下获得60 dB动态范围。相关成果发表于《Nature Communications》。

关键技术包括：1）相位匹配传输线设计（CST仿真优化）；2）飞秒脉冲色散控制（棱镜对+DCF光纤）；3）片上马赫-曾德尔干涉检测系统；4）宽带多波天线耦合设计。

宽带光子集成太赫兹发射器
通过2 mm长传输线实现群折射率（n_g=2.25）与太赫兹有效折射率（n_TL=2.3）匹配，模式重叠因子Γ_OR=0.1。测得单周期太赫兹脉冲场强57 V/m（ZnTe晶体中），比前期工作提升100倍，频谱覆盖3.5 THz（10 dB带宽2.5 THz）。理论估算传输线末端实际场强达10⁵-10⁶ V/m。

太赫兹场强的电光调控
采用商用铌酸锂马赫-曾德尔调制器（MXAN-LN-10）实现1 MHz速率的幅值调制，场强与调制电压呈线性关系（η_mod=30.6 V/m/V）。系统噪声接近散粒噪声极限（δV_meas=160 nV vs δV_shot=148 nV）。

带状线太赫兹谐振腔
开放式终端传输线形成谐振腔（S₁₁>90%），100 μm和200 μm腔长分别产生5.6 V/m和9.8 V/m场强，脉冲存储时间达6 ps。傅里叶变换显示离散模式分布，验证了腔模构建效应。

宽带光子集成太赫兹探测器
1 mm长传输线检测商用GaAs光电导天线（iPCA-21-05）发射的THz脉冲，测得1.3%的相对调制深度，3 THz带宽下噪声等效场强（NEF）仅0.683 V/m。与体块GaP晶体检测相比，在更低泵浦功率（1/76）和更短积分时间（1/3）下仍保持更高动态范围。

该研究通过异质集成方案解决了太赫兹与光子学的波长失配问题，首次在TFLN上实现生成-检测全功能集成。其相位匹配传输线设计为太赫兹雷达、克尔光频梳通信等应用奠定基础，而MHz速率的电光调控能力为太赫兹信号处理开辟新途径。薄膜平台与CMOS工艺的兼容性（如300 nm金电极制备）更推动其向批量化生产迈进，有望成为未来太赫兹系统集成的核心架构。