在现代通信和传感领域,连接光学域和微波域的技术愈发受到重视。尤其在太赫兹频段(100 GHz至10 THz),极具潜力可为高速无线通信、大容量数据传输以及高分辨率成像提供技术基础。随着5G发展逐步迈向6G,太赫兹技术在高速通信中的重要性不言而喻,其能够承载更大带宽、实现更高频率的信号传输。然而,传统集成电子技术在面对高频率(>1 THz)时存在直接链接光学域困难、效率降低等瓶颈,使得非电子光学混频技术成为突破的关键。光子集成太赫兹传输线正是在这一背景下应运而生,它利用薄膜锂铌酸盐(TFLN)材料,实现了光学和太赫兹场的相似传播速度和高效相互作用,显著提升了太赫兹波的生成和探测效率。 光子集成太赫兹传输线的设计原则基于电光效应与非线性光学技术,尤其是利用二阶非线性材料中的光学整流过程实现太赫兹波的产生。
这种方式克服了传统半导体光致混频对电子结构带隙的限制,避免了光子被吸收导致的效率下降问题。通过设计薄膜锂铌酸盐上的肋波导,结合金属地线传输线,可以有效局域和引导太赫兹电磁波,实现亚波长尺度的强场交互,进而提高非线性效应的效率。与此同时,太赫兹传输线的有效折射率经过精准调控,与光学泵浦脉冲的群折射率相匹配,实现了相位匹配,保证了光学脉冲和太赫兹信号的共传播以及长距离相互作用,这一点在传统块体晶体中难以实现。 其中,超短的激光脉冲(如60飞秒)作为光学泵浦源,能够激发出频率覆盖广泛的太赫兹波,频率范围跨越200 GHz至3.5 THz,实现了前所未有的四个倍频程宽带辐射。通过在传输线结构末端设计宽带天线,将局域的太赫兹信号高效耦合至远场,实现高强度太赫兹辐射的输出。该方案最大限度地降低了信号损耗与材料色散影响,提升探测灵敏度和信噪比,显著优于已有的太赫兹发射器性能。
除了发射端,集成太赫兹传输线还支持高效的电光采样检测方法。通过将探测光束与太赫兹信号在芯片内同轴调制,可以在同一平台上实现宽带、多功能的检测功能,带宽可达3 THz,动态范围超过60 dB,超越了现有的半导体光电探测器。这种集成化方案不仅简化了系统结构,也加速了高速太赫兹波处理技术的落地,推动了太赫兹传感、成像和通信技术向小型化和低功耗方向发展。 对于实际应用而言,光子集成太赫兹传输线具备显著优势。其薄膜锂铌材料具备高二阶非线性系数,材料损耗低,且兼容标准硅基芯片制造工艺,使得大规模集成制造成为可能。这不仅吻合现代通信基站、移动终端对体积小型化和功耗降低的需求,还为量子电动力学实验、高精度光谱分析以及超高速数据互连提供了技术支持。
此外,基于传输线的太赫兹腔体设计,能够有效增强特定频率的场强,实现频率选择性谐振,适合开发频率可控的太赫兹滤波器与开关器件,为未来芯片级太赫兹系统搭建奠定基础。 在通信领域,光子集成太赫兹技术为6G及未来无线网络提供了潜在的突破口。其支持多千兆赫兹带宽的高速信号传输,极大提升数据传输速率和网络容量,满足日益增长的高清视频传输、虚拟现实及智能物联网需求。此外,集成太赫兹传输线可以实现高速调制、高线性度及低驱动电压操作,为紧凑型光电混合集成器件发展提供技术基础,提高了系统稳定性和兼容性。 在非破坏性检测与成像方面,光子集成太赫兹传输线通过高空间模式重叠和亚波长场约束技术,提升了光谱灵敏度和成像分辨率。应用涵盖生物医学成像、材料检测、安全扫描及环境监测等领域。
该技术支持芯片级太赫兹源与探测器集成,降低了系统尺寸和成本,满足便携式和现场快速检测需求。 此外,该技术在量子光学和超高速计算领域的潜力亦不可忽视。高品质的太赫兹腔体结构有助于实现强耦合量子态的构建和调控,推动太赫兹频率下的量子电动力学实验。利用薄膜锂铌的高非线性效应,还可实现全太赫兹频段的信号混频与调制,为超高速光计算和信号处理开辟新路径。 尽管光子集成太赫兹传输线技术取得了重大进展,仍面临挑战。材料的高频色散和吸收损耗限制了频率扩展及光功率的承受能力。
未来需要进一步优化传输线结构,降低辐射及吸收损耗,提升相位匹配带宽和交互效率。同时,全波段光学泵浦技术和集成调制方法也有待完善,实现更宽频率范围、更高功率的太赫兹辐射。 先进的芯片制造工艺结合光子设计仿真技术,为集成太赫兹光电器件提供了坚实保障。利用电子束光刻精密构造肋波导与传输线几何,实现折射率精确调控和高空间重叠度。结合仿真优化,有效控制太赫兹传输损耗,赋予芯片优异的性能和稳定性。同时,集成电光调制器为太赫兹信号幅度和相位提供快速,低功耗的控制手段,满足现代高速通信需求。
总之,光子集成太赫兹传输线实现了从传统的分离式系统向紧凑、高效、全波段集成平台的跨越。它不仅填补了光学与无线电频率之间的巨大鸿沟,更为实现未来太赫兹频率下的高速通信、精密传感和量子信息处理提供了可能。随着相关材料和工艺的不断成熟,这一技术有望在未来几年成为太赫兹技术产业化和应用普及的关键推动力,引领新一轮信息技术和传感科技的创新革命。 。
