上海光機(jī)所在太赫茲聲子極化激元產(chǎn)生及相干調(diào)制機(jī)理方面取得重要進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所超強(qiáng)激光科學(xué)與技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)在太赫茲驅(qū)動(dòng)聲子極化激元產(chǎn)生及相干調(diào)制機(jī)理方面取得重要進(jìn)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(hào)調(diào)制技術(shù)是光通信、數(shù)據(jù)中心、量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域的核心支撐。近年來(lái)，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(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展上均取得顯著進(jìn)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(yīng)或直流Kerr效應(yīng)，通過(guò)施加電壓調(diào)制光的相位或強(qiáng)度。這種方式受限于電子驅(qū)動(dòng)頻率、RC延遲、電極設(shè)計(jì)等因素，調(diào)制帶寬難以突破百GHz量級(jí)。鈮酸鋰基電光調(diào)制技術(shù)基于線性電光效應(yīng)(Pockels效應(yīng))，通過(guò)外加電場(chǎng)改變晶體折射率，進(jìn)而調(diào)控馬赫-曾德?tīng)?MZ)干涉儀兩臂間的相位差，實(shí)現(xiàn)高速、高線性度的光信號(hào)調(diào)制。目前已實(shí)現(xiàn)數(shù)百GHz的信號(hào)調(diào)制，但受限于電極微波與光波速度失配等問(wèn)題，達(dá)到THz頻率的高速調(diào)制仍面臨挑戰(zhàn)。
 

　　近年來(lái)，團(tuán)隊(duì)在科技部重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)“超快強(qiáng)激光泵浦強(qiáng)太赫茲源驅(qū)動(dòng)材料與器件非平衡態(tài)研究”支持下，在“羲和”等強(qiáng)激光大科學(xué)裝置發(fā)展了強(qiáng)場(chǎng)太赫茲調(diào)控平臺(tái)與技術(shù)：實(shí)現(xiàn)了基于鈮酸鋰晶體的最強(qiáng)THz脈沖源能量紀(jì)錄13.9 mJ [Advanced Materials, 35(23): 2208947 (2023)]；發(fā)展了國(guó)際首個(gè)超越MeV的太赫茲波導(dǎo)電子槍，在指尖尺寸(長(zhǎng)度5mm)距離實(shí)現(xiàn)最高1.1 MeV的電子能量增益[Nature Photonics 17, 957–963 (2023)]。團(tuán)隊(duì)針對(duì)調(diào)控機(jī)理及器件研發(fā)等目標(biāo)展開(kāi)攻關(guān)，系統(tǒng)研究了寬禁帶半導(dǎo)體ZnO中聲子極化激元(PhP)的產(chǎn)生機(jī)制及其調(diào)制原理。
 

　　PhP是一類由紅外活性光學(xué)聲子與電磁波強(qiáng)耦合而形成的準(zhǔn)粒子，具有方向性強(qiáng)、電場(chǎng)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(cè)系統(tǒng)上，通過(guò)調(diào)控THz場(chǎng)強(qiáng)、偏振、紅外光波長(zhǎng)等，成功激發(fā)出3~4 THz范圍內(nèi)的PhP。該P(yáng)hP以THz頻率調(diào)控ZnO晶體內(nèi)極化反轉(zhuǎn)，進(jìn)而激發(fā)光波的SHG過(guò)程，且產(chǎn)生的光學(xué)SHG相位以THz頻率變化。這一相位高速調(diào)制的光信號(hào)與晶體內(nèi)本征SHG干涉，可實(shí)現(xiàn)光信號(hào)強(qiáng)度的THz頻率調(diào)制。這種通過(guò)調(diào)控相位實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度高速調(diào)制的機(jī)制，可類比于鈮酸鋰基光信號(hào)調(diào)制原理，而調(diào)制頻率提高了一個(gè)量級(jí)。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(duì)SHG信號(hào)實(shí)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(dòng)的光學(xué)SHG產(chǎn)生與調(diào)制過(guò)程，構(gòu)建了一種全新的時(shí)頻聯(lián)合控制平臺(tái)。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(shì)：一是工作頻率覆蓋 THz 至中紅外的寬廣頻段，滿足高帶寬應(yīng)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(xué)響應(yīng)中，適用于構(gòu)建頻率轉(zhuǎn)換器件。研究構(gòu)建了“光聲準(zhǔn)粒子機(jī)制——光脈沖調(diào)制器”，對(duì)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(yīng)用于超高速光信息通訊領(lǐng)域。
 

　　中國(guó)科學(xué)院上海光機(jī)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(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家杰出青年科學(xué)基金以及基礎(chǔ)研究特區(qū)計(jì)劃等支持。
 

　　圖 (a)-(c)展示利用紅外探測(cè)光研究THz-PhP激發(fā)和傳輸動(dòng)力學(xué)。圖(d)展示THz輔助聲子激發(fā)及THz-PhP演化實(shí)驗(yàn)結(jié)果與相位匹配機(jī)理