太赫茲聲子極化激元產生及相干調制機理研究獲進展

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所研究團隊在太赫茲驅動聲子極化激元產生及相干調制機理方面取得進展。

高速信號調制技術是光通信、數據中心、量子計算等領域的核心。近年來，硅基和鈮酸鋰基兩大技術路線在材料集成、工藝突破與應用場景擴展方面均取得進展。目前已實現數百GHz的信號調制，但受限于電極微波與光波速度失配等問題，達到THz頻率的高速調制仍面臨挑戰。

此前，研究團隊實現了基于鈮酸鋰晶體的最強THz脈沖源能量紀錄13.9?mJ；發展了超越MeV的太赫茲波導電子槍，在指尖尺寸距離實現最高1.1 MeV的電子能量增益。團隊針對調控機理及器件研發等目標展開攻關，研究了寬禁帶半導體ZnO中聲子極化激元（PhP）的產生機制及調制原理。

PhP是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。研究人員在自主搭建的超快THz泵浦-探測系統上，通過調控THz場強、偏振、紅外光波長等，激發出3~4 THz范圍內的PhP。該PhP以THz頻率調控ZnO晶體內極化反轉，進而激發光波的SHG過程，且產生的光學SHG相位以THz頻率變化。這一相位高速調制的光信號與晶體內本征SHG干涉，可實現光信號強度的THz頻率調制。這種通過調控相位實現信號強度高速調制的機制，可類比于鈮酸鋰基光信號調制原理，但調制頻率提高了一個量級。得益于ZnO晶體中PhP的低損耗和高反射特性，PhP在1mm晶體內完成9次反射，對SHG信號實現了持續約90ps、消光比約18 dB、頻率3~4THz的高速調制。

這種基于THz-PhP驅動的光學SHG產生與調制過程，構建了全新的時頻聯合控制平臺。相比于傳統非線性調制器，PhP系統具備兩個優勢。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構天然適配相干控制，能夠將THz振蕩特征嵌入通信波段光學響應中，適用于構建頻率轉換器件。

上述研究構建了光聲準粒子機制-光脈沖調制器，對THz超高重頻激光研發具有重要意義，有望作為THz頻率調制器等核心部件應用于超高速光信息通訊領域。

相關研究成果在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。研究工作得到國家重點研發計劃和國家自然科學基金等支持。

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