太赫兹频段片上逆向设计有源波分复用器的实现与性能研究

研究人员针对太赫兹(THz)频段光子集成器件设计的挑战，通过逆向设计(topology optimization)方法，在量子级联激光器(QCL)平台上实现了体积仅V/λ3≈0.5的片上有源波分复用器(WDM)。该器件在2.2-3.2 THz范围内实现三通道330 GHz宽带输出，最大串扰-6 dB，集成了表面辐射贴片天线阵列，为太赫兹信号处理提供了新型集成化解决方案。

　　

太赫兹(THz)频段作为电磁谱中连接微波与红外的特殊区域，在通信、成像和光谱检测等领域具有独特优势。然而该频段的光子集成技术长期面临两大瓶颈：一是传统介质波导在THz频段会因波长缩短导致结构尺寸不切实际（如20 μm以下厚度）；二是金属波导的高传播损耗（约40 dB/cm）严重制约器件性能。尽管硅基平台在亚THz频段取得进展，但>1.5 THz的片上器件仍属空白。

为解决这一挑战，Valerio Digiorgio团队在《Nature Communications》发表的研究中，创新性地将逆向设计方法与有源量子级联异质结构相结合，开发出首个工作在THz频段的片上有源波分复用器。该器件采用双金属波导(TM₀₀模式)结构，通过嵌入增益介质补偿传输损耗，并利用苯并环丁烯(BCB)聚合物实现平面化，折射率对比度达n_MEM≈3.6/n_BCB≈1.6。

研究团队采用多项关键技术：1) 使用SPINS逆向设计软件进行拓扑优化，在200×200 μm²设计区域内实现三通道宽带响应；2) 基于分子束外延(MBE)生长宽带GaAs/AlGaAs量子级联增益材料；3) 集成表面发射宽带贴片天线阵列实现垂直辐射；4) 通过电隔离设计实现激光腔与WDM段的独立调控；5) 采用移位波干涉傅里叶变换光谱(SWIFTS)技术表征器件相干性。

逆向设计与制备

通过梯度优化的伴随方法，在105次迭代后获得最优设计。仿真显示该结构能有效路由2.2-3.2 THz信号至三个输出端口，功率流分布与设计目标吻合。

器件结构与仿真

器件包含2.5 mm长QCL腔和WDM段，通过V形间隙实现电隔离。3D仿真显示WDM端口传输特性与设计预期一致，验证了器件功能。

光谱测量

实验测得WDM三端口覆盖2.65-3.30 THz，与QCL后向端面光谱（2.65-4.00 THz）相比显示出有效的频带选择功能。

传输性能

端口2、3实测传输谱与仿真吻合，最大串扰-6 dB。电学测试显示WDM段在8.5 V偏压下获得最佳增益，各端口输出功率差异反映频带选择特性。

相干性验证

SWIFTS测量证实WDM输出在250 GHz带宽内保持频率梳特性（f_rep=15.65 GHz），时域重建波形显示AM/FM混合调制特征，证明器件适用于相干信号处理。

该研究首次将逆向设计方法拓展至THz量子级联激光平台，创造了目前体积最小的有源WDM器件（V/λ³≈0.5）。其创新性体现在：1) 通过增益集成克服金属波导损耗限制；2) 天线耦合设计实现表面辐射；3) 保持频率梳相干性的同时完成频带选择。这种"设计-加工-测试"闭环为THz光子集成电路(PIC)发展提供了新范式，在光谱检测、6G通信和量子系统控制等领域具有应用前景。研究也揭示了III-V族与硅基平台的互补性，为未来异质集成系统指明了方向。