太赫茲光子學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出一種關鍵的光子組件，實現了半導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、可引發短太赫茲脈沖的量子級聯激光器（QCL），這將成為太赫茲應用道路上的一個重要里程碑。

量子級聯激光器（QCL）是一種在中長紅外和太赫茲范圍工作的半導體激光器。在QCL中，電子負責發射光子進入隨后的量子阱，由此一個電子可以產生幾個光子，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”。

太赫茲波是指頻率介于微波與紅外之間的電磁波，其性質特殊，具有廣泛的應用范圍，如機場安全掃描儀、痕量氣體檢測、超高速通信技術和醫療技術等。但目前商用的太赫茲源還只能以連續波模式運行，因此研發廉價的、能產生很少甚至單周期脈沖的緊湊型量子級聯激光器，替代結構復雜且昂貴的臺式激光源，將加速帶來太赫茲領域各種激動人心的應用。

量子級聯激光器的發射過程基于半導體多量子阱（MQW）結構中的子帶間（ISB）躍遷。采用飽和吸收器的被動鎖模是激光器產生超短脈沖的一種方法。該模式需要響應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，而且所需的光強度遠遠超過了量子級聯激光器的能力。

現在，研究團隊成功開發出一種由金鏡和金柵格組成的微結構裝置，它們共同構成了太赫茲輻射的共振體，它的共振可以與特殊半導體納米結構中的電子緊密耦合。通過高精度慢動作相機觀察發現，新結構能很好地響應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）轉換成幾乎完美的鏡面。所需光強度比單獨的純半導體結構低十倍，且反應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：“我們現在掌握了使用飽和吸收體制造超快量子級聯激光器的所有必要組件。”太赫茲在很多領域的重要應用將有望變為現實，包括電信、化學分析和醫學診斷等。由于太赫茲輻射的振蕩速率比現代計算機的時鐘速率快上千倍，超短太赫茲脈沖可以實現新一代的電信連接，被認為是最有潛力的6G技術之一。