科學(xué)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(fā)出一種極薄的芯片，該芯片上具有集成光子電路——當(dāng)與激光束連接時，這種新型薄膜電路可以產(chǎn)生可微調(diào)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(jù)悉，處理這種間隙目前仍是一個技術(shù)盲點(dead zone)，其頻率對于今天的電子和電信設(shè)備而言太快了，但對于光學(xué)和成像應(yīng)用而言又太慢了。

　　然而，科學(xué)家們打造的這種新型芯片目前已經(jīng)能夠產(chǎn)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(xué)領(lǐng)域的下一代應(yīng)用。

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

　　領(lǐng)導(dǎo)EPFL工程學(xué)院混合光子學(xué)實驗室(HYLAB)研究的負責(zé)人Cristina Benea-Chelmus解釋稱，雖然此前科學(xué)家們已成功在實驗室環(huán)境中產(chǎn)生了太赫茲波，但之前的方法主要依賴于塊晶體來產(chǎn)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(xué)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(xué)系統(tǒng)中。

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

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

　　Benea-Chelmus強調(diào)稱：“事實上，我們的設(shè)備已經(jīng)利用了標準光信號，這確實是一個優(yōu)勢，因為這意味著這些新芯片可以與傳統(tǒng)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(shè)備與電信通信功能是兼容的。”她補充稱，在太赫茲范圍內(nèi)發(fā)送和接收信號的小型化設(shè)備，可能在第六代移動系統(tǒng)(6G)中發(fā)揮關(guān)鍵作用。

　　在光學(xué)領(lǐng)域，Benea-Chelmus認為，小型化鈮酸鋰芯片在光譜學(xué)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(shè)備可以提供一種侵入性更小的方法來替代當(dāng)前的光譜技術(shù)。

　　接下來，Benea-Chelmus計劃專注于調(diào)整芯片波導(dǎo)和天線的特性，以設(shè)計具有更大振幅的波形，以及更精確調(diào)諧的頻率和衰減率。她還看到了其實驗室開發(fā)的太赫茲技術(shù)在量子應(yīng)用方面的潛力。她稱，目前這種芯片投入實際應(yīng)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(chǎn)生新型的量子輻射，并且在極短的時間尺度上進行操作。