太赫茲光子學(xué)組件研究獲重大突破

近日，一個來自德國、意大利和英國的研究團隊成功開發(fā)出一種關(guān)鍵的光子組件，實現(xiàn)了半導(dǎo)體量子阱的子帶間躍遷與金屬腔的光子模式超強耦合，有望用可飽和吸收體（SA）制造廉價的、可引發(fā)短太赫茲脈沖的量子級聯(lián)激光器（QCL），這將成為太赫茲應(yīng)用道路上的一個重要里程碑。

量子級聯(lián)激光器（QCL）是一種在中長紅外和太赫茲范圍工作的半導(dǎo)體激光器。在QCL中，電子負責發(fā)射光子進入隨后的量子阱，由此一個電子可以產(chǎn)生幾個光子，效率非常高。從一個量子阱到另一個量子阱的過渡稱為“量子級聯(lián)”。

太赫茲波是指頻率介于微波與紅外之間的電磁波，其性質(zhì)特殊，具有廣泛的應(yīng)用范圍，如機場安全掃描儀、痕量氣體檢測、超高速通信技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)等。但目前商用的太赫茲源還只能以連續(xù)波模式運行，因此研發(fā)廉價的、能產(chǎn)生很少甚至單周期脈沖的緊湊型量子級聯(lián)激光器，替代結(jié)構(gòu)復(fù)雜且昂貴的臺式激光源，將加速帶來太赫茲領(lǐng)域各種激動人心的應(yīng)用。

量子級聯(lián)激光器的發(fā)射過程基于半導(dǎo)體多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)中的子帶間（ISB）躍遷。采用飽和吸收器的被動鎖模是激光器產(chǎn)生超短脈沖的一種方法。該模式需要響應(yīng)時間短且飽和閾值低的可飽和吸收體，但用于太赫茲光譜范圍的可飽和吸收體一直難以實現(xiàn)，而且所需的光強度遠遠超過了量子級聯(lián)激光器的能力。

現(xiàn)在，研究團隊成功開發(fā)出一種由金鏡和金柵格組成的微結(jié)構(gòu)裝置，它們共同構(gòu)成了太赫茲輻射的共振體，它的共振可以與特殊半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的電子緊密耦合。通過高精度慢動作相機觀察發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)能很好地響應(yīng)強太赫茲脈沖的刺激，吸收器可在飛秒的時間尺度上達到飽和。強烈的光脈沖可以將可飽和吸收體（金柵格）轉(zhuǎn)換成幾乎完美的鏡面。所需光強度比單獨的純半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)低十倍，且反應(yīng)比太赫茲脈沖的單個光振蕩更快。

意大利國家納米科技中心的米瑞安·維迪耶羅教授說：“我們現(xiàn)在掌握了使用飽和吸收體制造超快量子級聯(lián)激光器的所有必要組件?！碧掌澰诤芏囝I(lǐng)域的重要應(yīng)用將有望變?yōu)楝F(xiàn)實，包括電信、化學(xué)分析和醫(yī)學(xué)診斷等。由于太赫茲輻射的振蕩速率比現(xiàn)代計算機的時鐘速率快上千倍，超短太赫茲脈沖可以實現(xiàn)新一代的電信連接，被認為是最有潛力的6G技術(shù)之一。