科學家用新型集成光子電路芯片縮小“太赫茲間隙”

　　近日，國外研究團隊宣布開發出一種極薄的芯片，該芯片上具有集成光子電路——當與激光束連接時，這種新型薄膜電路可以產生可微調的太赫茲頻率波，從而利用所謂的“太赫茲間隙”(Terahertz Gap，位于電磁波譜中的0.3-30太赫茲之間)進行光譜分析和成像。

　　據悉，處理這種間隙目前仍是一個技術盲點(dead zone)，其頻率對于今天的電子和電信設備而言太快了，但對于光學和成像應用而言又太慢了。

　　然而，科學家們打造的這種新型芯片目前已經能夠產生具有定制頻率、波長、振幅和相位的太赫茲波。這種精確的控制進一步推動了太赫茲輻射用于電子和光學領域的下一代應用。

　　這項研究由瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL)、蘇黎世聯邦理工學院(ETH Zurich)和哈佛大學共同開展，其成果已發表在《自然·通訊》(Nature Communications)上。

　　領導EPFL工程學院混合光子學實驗室(HYLAB)研究的負責人Cristina Benea-Chelmus解釋稱，雖然此前科學家們已成功在實驗室環境中產生了太赫茲波，但之前的方法主要依賴于塊晶體來產生正確的頻率。

　　相反，她的實驗室使用了由鈮酸鋰制成的光子電路，并由哈佛大學的合作者在納米尺度上精細蝕刻，這使得方法更加簡化。硅襯底的使用也使該器件適合集成到電子和光學系統中。

　　她解釋稱：“在非常高的頻率下產生波是極具挑戰性的，很少有技術可以產生獨特的模式。我們現在能夠設計出太赫茲波的確切時間形狀——從本質上來說，我想要一個像這樣的波形。”

　　為了實現這一目標，Benea-Chelmus的實驗室設計了芯片的通道排列，稱為波導(waveguides)。這樣一來，微觀天線就可以用來傳播光纖產生的太赫茲波。

　　Benea-Chelmus強調稱：“事實上，我們的設備已經利用了標準光信號，這確實是一個優勢，因為這意味著這些新芯片可以與傳統激光器一起使用，這些激光器工作得非常好，而且非常容易理解。這意味著我們的設備與電信通信功能是兼容的。”她補充稱，在太赫茲范圍內發送和接收信號的小型化設備，可能在第六代移動系統(6G)中發揮關鍵作用。

　　在光學領域，Benea-Chelmus認為，小型化鈮酸鋰芯片在光譜學和成像方面具備特殊的潛力。除了非電離的特性之外，太赫茲波的能量比目前用于提供材料成分信息的許多其他類型的波(如X射線)要低得多。因此，像鈮酸鋰芯片這樣的緊湊、非破壞性設備可以提供一種侵入性更小的方法來替代當前的光譜技術。

　　接下來，Benea-Chelmus計劃專注于調整芯片波導和天線的特性，以設計具有更大振幅的波形，以及更精確調諧的頻率和衰減率。她還看到了其實驗室開發的太赫茲技術在量子應用方面的潛力。她稱，目前這種芯片投入實際應用仍有許多基本問題需要解決。例如，未來是否可以使用這種芯片來產生新型的量子輻射，并且在極短的時間尺度上進行操作。