太赫兹光子学组件研究获重大突破

近日，一个来自德国、意大利和英国的研究团队成功开发出一种关键的光子组件，实现了半导体量子阱的子带间跃迁与金属腔的光子模式超强耦合，有望用可饱和吸收体（SA）制造廉价的、可引发短太赫兹脉冲的量子级联激光器（QCL），这将成为太赫兹应用道路上的一个重要里程碑。

量子级联激光器（QCL）是一种在中长红外和太赫兹范围工作的半导体激光器。在QCL中，电子负责发射光子进入随后的量子阱，由此一个电子可以产生几个光子，效率非常高。从一个量子阱到另一个量子阱的过渡称为“量子级联”。

太赫兹波是指频率介于微波与红外之间的电磁波，其性质特殊，具有广泛的应用范围，如机场安全扫描仪、痕量气体检测、超高速通信技术和医疗技术等。但目前商用的太赫兹源还只能以连续波模式运行，因此研发廉价的、能产生很少甚至单周期脉冲的紧凑型量子级联激光器，替代结构复杂且昂贵的台式激光源，将加速带来太赫兹领域各种激动人心的应用。

量子级联激光器的发射过程基于半导体多量子阱（MQW）结构中的子带间（ISB）跃迁。采用饱和吸收器的被动锁模是激光器产生超短脉冲的一种方法。该模式需要响应时间短且饱和阈值低的可饱和吸收体，但用于太赫兹光谱范围的可饱和吸收体一直难以实现，而且所需的光强度远远超过了量子级联激光器的能力。

现在，研究团队成功开发出一种由金镜和金栅格组成的微结构装置，它们共同构成了太赫兹辐射的共振体，它的共振可以与特殊半导体纳米结构中的电子紧密耦合。通过高精度慢动作相机观察发现，新结构能很好地响应强太赫兹脉冲的刺激，吸收器可在飞秒的时间尺度上达到饱和。强烈的光脉冲可以将可饱和吸收体（金栅格）转换成几乎完美的镜面。所需光强度比单独的纯半导体结构低十倍，且反应比太赫兹脉冲的单个光振荡更快。

意大利国家纳米科技中心的米瑞安·维迪耶罗教授说：“我们现在掌握了使用饱和吸收体制造超快量子级联激光器的所有必要组件。”太赫兹在很多领域的重要应用将有望变为现实，包括电信、化学分析和医学诊断等。由于太赫兹辐射的振荡速率比现代计算机的时钟速率快上千倍，超短太赫兹脉冲可以实现新一代的电信连接，被认为是最有潜力的6G技术之一。