【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術(shù)全國重點實驗室研究團隊在太赫茲驅(qū)動聲子極化激元產(chǎn)生及相干調(diào)制機理方面取得重要進展。該成果以Coherent Manipulation of Second-Harmonic Generation via Terahertz-Field Mediated Phonon-Polariton in Zinc Oxide為題在線發(fā)表于Nature Communications。
 

　　高速信號調(diào)制技術(shù)是光通信、數(shù)據(jù)中心、量子計算等前沿領(lǐng)域的核心支撐。近年來，硅基和鈮酸鋰基兩大技術(shù)路線在材料集成、工藝突破與應用場景擴展上均取得顯著進展。傳統(tǒng)的硅基電光調(diào)制技術(shù)基于自由載流子等離子色散(FCPD)效應或直流Kerr效應，通過施加電壓調(diào)制光的相位或強度。這種方式受限于電子驅(qū)動頻率、RC延遲、電極設(shè)計等因素，調(diào)制帶寬難以突破百GHz量級。鈮酸鋰基電光調(diào)制技術(shù)基于線性電光效應(Pockels效應)，通過外加電場改變晶體折射率，進而調(diào)控馬赫-曾德爾(MZ)干涉儀兩臂間的相位差，實現(xiàn)高速、高線性度的光信號調(diào)制。目前已實現(xiàn)數(shù)百GHz的信號調(diào)制，但受限于電極微波與光波速度失配等問題，達到THz頻率的高速調(diào)制仍面臨挑戰(zhàn)。
 

　　近年來，團隊在科技部重點研發(fā)專項“超快強激光泵浦強太赫茲源驅(qū)動材料與器件非平衡態(tài)研究”支持下，在“羲和”等強激光大科學裝置發(fā)展了強場太赫茲調(diào)控平臺與技術(shù)：實現(xiàn)了基于鈮酸鋰晶體的最強THz脈沖源能量紀錄13.9 mJ [Advanced Materials, 35(23): 2208947 (2023)]；發(fā)展了國際首個超越MeV的太赫茲波導電子槍，在指尖尺寸(長度5mm)距離實現(xiàn)最高1.1 MeV的電子能量增益[Nature Photonics 17, 957–963 (2023)]。團隊針對調(diào)控機理及器件研發(fā)等目標展開攻關(guān)，系統(tǒng)研究了寬禁帶半導體ZnO中聲子極化激元(PhP)的產(chǎn)生機制及其調(diào)制原理。
 

　　PhP是一類由紅外活性光學聲子與電磁波強耦合而形成的準粒子，具有方向性強、電場限域能力高等特性，廣泛存在于極性晶體中，特別活躍于THz頻段。在自主搭建的超快THz泵浦-探測系統(tǒng)上，通過調(diào)控THz場強、偏振、紅外光波長等，成功激發(fā)出3~4 THz范圍內(nèi)的PhP。該PhP以THz頻率調(diào)控ZnO晶體內(nèi)極化反轉(zhuǎn)，進而激發(fā)光波的SHG過程，且產(chǎn)生的光學SHG相位以THz頻率變化。這一相位高速調(diào)制的光信號與晶體內(nèi)本征SHG干涉，可實現(xiàn)光信號強度的THz頻率調(diào)制。這種通過調(diào)控相位實現(xiàn)信號強度高速調(diào)制的機制，可類比于鈮酸鋰基光信號調(diào)制原理，而調(diào)制頻率提高了一個量級。得益于ZnO晶體中PhP的低損耗、高反射特性，PhP在1mm晶體內(nèi)完成九次反射，對SHG信號實現(xiàn)了持續(xù)約90ps，消光比約18 dB，頻率3~4THz的高速調(diào)制。
 

　　這種基于THz-PhP 驅(qū)動的光學SHG產(chǎn)生與調(diào)制過程，構(gòu)建了一種全新的時頻聯(lián)合控制平臺。相比傳統(tǒng)非線性調(diào)制器，PhP 系統(tǒng)具備兩大關(guān)鍵優(yōu)勢：一是工作頻率覆蓋 THz 至中紅外的寬廣頻段，滿足高帶寬應用需求；二是其周期性傳播結(jié)構(gòu)天然適配相干控制，能夠?qū)?THz 振蕩特征嵌入通信波段光學響應中，適用于構(gòu)建頻率轉(zhuǎn)換器件。研究構(gòu)建了“光聲準粒子機制——光脈沖調(diào)制器”，對THz超高重頻激光的研發(fā)具有重要意義，并有望作為THz頻率調(diào)制器等核心部件應用于超高速光信息通訊領(lǐng)域。
 

　　中國科學院上海光機所方依霏副研究員、博士研究生郝嘉靜為共同第一作者，宋立偉、田野研究員及李儒新院士為共同通訊作者，相關(guān)工作得到了科技部重點研發(fā)計劃、國家杰出青年科學基金以及基礎(chǔ)研究特區(qū)計劃等支持。
 

　　圖 (a)-(c)展示利用紅外探測光研究THz-PhP激發(fā)和傳輸動力學。圖(d)展示THz輔助聲子激發(fā)及THz-PhP演化實驗結(jié)果與相位匹配機理