近日,中国科学院上海光学精密机械研究所研究团队在太赫兹驱动声子极化激元产生及相干调制机理方面取得进展。

高速信号调制技术是光通信、数据中心、量子计算等领域的核心。近年来,硅基和铌酸锂基两大技术路线在材料集成、工艺突破与应用场景扩展方面均取得进展。目前已实现数百GHz的信号调制,但受限于电极微波与光波速度失配等问题,达到THz频率的高速调制仍面临挑战。

此前,研究团队实现了基于铌酸锂晶体的最强THz脉冲源能量纪录13.9 mJ;发展了超越MeV的太赫兹波导电子枪,在指尖尺寸距离实现最高1.1 MeV的电子能量增益。团队针对调控机理及器件研发等目标展开攻关,研究了宽禁带半导体ZnO中声子极化激元(PhP)的产生机制及调制原理。

PhP是由红外活性光学声子与电磁波强耦合而形成的准粒子,具有方向性强、电场限域能力高等特性,广泛存在于极性晶体中,特别活跃于THz频段。研究人员在自主搭建的超快THz泵浦-探测系统上,通过调控THz场强、偏振、红外光波长等,激发出3~4 THz范围内的PhP。该PhP以THz频率调控ZnO晶体内极化反转,进而激发光波的SHG过程,且产生的光学SHG相位以THz频率变化。这一相位高速调制的光信号与晶体内本征SHG干涉,可实现光信号强度的THz频率调制。这种通过调控相位实现信号强度高速调制的机制,可类比于铌酸锂基光信号调制原理,但调制频率提高了一个量级。得益于ZnO晶体中PhP的低损耗和高反射特性,PhP在1mm晶体内完成9次反射,对SHG信号实现了持续约90ps、消光比约18 dB、频率3~4THz的高速调制。

这种基于THz-PhP驱动的光学SHG产生与调制过程,构建了全新的时频联合控制平台。相比于传统非线性调制器,PhP系统具备两个优势。一是工作频率覆盖THz至中红外的宽广频段,满足高带宽应用需求;二是其周期性传播结构天然适配相干控制,能够将THz振荡特征嵌入通信波段光学响应中,适用于构建频率转换器件。

上述研究构建了光声准粒子机制-光脉冲调制器,对THz超高重频激光研发具有重要意义,有望作为THz频率调制器等核心部件应用于超高速光信息通讯领域。

相关研究成果在线发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金等支持。

(a)-(c)展示利用红外探测光研究THz-PhP激发和传输动力学,(d)展示THz辅助声子激发及THz-PhP演化实验结果与相位匹配机理