随着信息时代的不断发展和5G网络的广泛部署,世界正逐步迈向更高速、更宽带的通信技术。尤其令人瞩目的是太赫兹频段(约在100 GHz至10 THz之间),其具备极高的带宽潜力和多样的应用场景,被誉为未来技术的关键突破口。然而,传统电子技术在面对超过1 THz的频率时存在效率急剧下降、尺寸庞大、散热难题等瓶颈。为此,光子集成太赫兹传输线的出现,带来了全新的解决方案,极大推动了太赫兹技术的发展。光子学与太赫兹技术的结合,尤其是借助薄膜铌酸锂(TFLN)平台,实现了光学波导与太赫兹传输线的无缝集成,从而充分发挥了电光效应,极大增强了太赫兹信号的生成与探测效率。本质上,光子集成太赫兹传输线利用了非线性光学效应,如光学整流(optical rectification)和电光采样(electro-optic sampling),使得超短光学脉冲能够产生宽带、低噪声且可控的太赫兹波,同时光学信号也能有效调制和检测太赫兹场。
这种集成形式不仅实现了器件的小型化和低功耗,还解决了光与太赫兹波在传播速度和有效折射率上的相位匹配挑战。相位匹配是实现高效能光子-太赫兹转换的关键。借助特殊设计的铌酸锂波导和金属传输线结构,研究人员成功将太赫兹传输线的有效折射率调控至与光学波导群折射率相匹配。这种匹配确保了光脉冲和太赫兹波在芯片上以相同速度同步传播,从而增强了相互作用长度,提升了太赫兹信号的强度和带宽。更重要的是,这种设计使得传播长度达到数毫米,远超以往超短传输线的局限,大幅提升整体效率。生成太赫兹信号的光学泵浦源通常采用了中心波长约为1550纳米、脉冲宽度小于60飞秒的超快激光脉冲。
利用边缘耦合技术将这个宽带脉冲完美注入薄膜铌酸锂波导,同时通过复杂的色散补偿和自相位调制技术维持脉冲的超短特性。相较于以往使用的光栅耦合器,边缘耦合避免了带宽受限问题,确保光学泵浦信号能覆盖全部有效频段。光学整流过程产生的太赫兹波被布局在同一芯片上的金属传输线内进行传输,传输线上还设计有适用于特定波段的天线,实现了太赫兹波的高效辐射和耦合。实验数据显示,所制备跨越200 GHz至3.5 THz四个八度频段的太赫兹信号,强度达以往技术的百倍以上,频谱平坦且动态范围高达50 dB,极大满足了高速通信及高精度光谱探测需求。集成太赫兹检测同样基于电光效应,通过光学探针脉冲感知太赫兹波引起的相位变化,实现无源、低噪声、高带宽的信号探测。采用Mach-Zehnder干涉仪的结构,将相位调制转换为强度调制,进而用光电探测器进行读取。
测量结果显示,动态范围达到60 dB,最高探测频率超过3 THz,超过了传统采用半导体光电探测器的性能表现。器件探测灵敏度接近量子极限,且尺寸微型化,有望在未来光子计算、量子电动力学等前沿领域展现优势。相较于电子技术的笨重和复杂,光子技术的优势不仅体现在线传输损耗更低、高速响应和出色的非线性性能,还便于与成熟的电信基础架构兼容,适配1550纳米通信波段光源。未来,集成太赫兹传输线将推动6G及更高频通信的发展,实现千兆至万兆比特每秒的数据传输速率,同时在太赫兹成像、环境监测、医疗诊断和安全检测等领域发挥日益突出作用。值得一提的是,采用开放两端的传输线结构能够形成谐振腔,以进一步限制和增强特定太赫兹频率的信号,具备良好的带通滤波效果和信号放大潜力,为可调谐太赫兹信号源铺垫了基础。设计中通过调整传输线长度和天线位置,灵活控制谐振模式,满足不同频段的应用需求。
此外,器件的尺寸显著缩减,实现了芯片级运输和部署。随着薄膜铌酸锂制程技术的成熟,结合电子与光子集成技术,未来太赫兹系统可能实现全光子、模块化、多功能集成平台。包括集成光源、调制器、调谐器及检测器于一体,形成完整的太赫兹收发系统。此类系统将具备低功耗、高速以及强抗干扰能力,为数据中心互联、车载雷达、物联网等应用提供强大技术支撑。总结而言,光子集成太赫兹传输线项目是当前光电子领域极具前景的方向。凭借其突破性的相位匹配设计、高效的宽带太赫兹生成与探测能力以及卓越的集成性,它正在重新定义太赫兹波技术的未来。
未来研究可更深入探索非线性效应、多模传输及异质集成技术,推动更具智能化、自适应功能的太赫兹光子芯片问世。随着全球5G向6G和物联网快速演进,太赫兹通信与传感的需求只会愈加旺盛,光子集成薄膜铌酸锂太赫兹传输线有望承担关键角色,开创高速宽带通信与精准光谱检测新时代。 。
