亞皮秒太赫茲電磁輻射脈沖的自由空間電光采樣，對(duì)于時(shí)域太赫茲光譜、時(shí)域太赫茲成像、光子時(shí)間拉伸測(cè)量、近場(chǎng)太赫茲顯微鏡以及時(shí)域太赫茲量子光學(xué)非常重要。這些測(cè)量模式需要具有0.1~10 THz帶寬的電光探測(cè)方案，太赫茲光譜和成像的探測(cè)閾值為~ 1 V/cm，加速器和非線性太赫茲光譜縱向電子束長(zhǎng)度測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍為~ MV/cm。射頻（RF）、毫米波和太赫茲頻率電場(chǎng)的電光測(cè)量在加速器電子束診斷、等離子體物理學(xué)、生物醫(yī)學(xué)傳感、激光雷達(dá)、微波集成電路以及天線表征等領(lǐng)域也是不可或缺的。

線性電光（EO）效應(yīng)發(fā)生在非中心對(duì)稱晶體中，外加電場(chǎng)改變材料的折射率，產(chǎn)生偏振和相位調(diào)制，也稱為波克爾斯效應(yīng)（Pockels effect）。EO效應(yīng)可在瞬間有效發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)高時(shí)間分辨率。此外，全介質(zhì)EO傳感器產(chǎn)生的采樣電場(chǎng)失真可忽略不計(jì)。通過(guò)與自由傳播單周期亞皮秒太赫茲輻射脈沖或瞬態(tài)電場(chǎng)時(shí)間同步的飛秒（fs）近紅外（NIR）激光脈沖，探測(cè)太赫茲頻率電場(chǎng)引起的EO晶體折射率變化。其靈敏度取決于EO晶體的波克爾斯系數(shù)、太赫茲波和近紅外波在EO晶體中傳播速度的匹配，以及它們之間的相互作用長(zhǎng)度。

鈮酸鋰（LN）具有較大的電光材料系數(shù)，對(duì)可見(jiàn)光和近紅外波（0.4-5 μm）具有高透明度，對(duì)射頻、毫米波和太赫茲波（< 10 THz）具有低吸收，是一種用于高頻電場(chǎng)傳感的多功能材料。由絕緣體上薄膜鈮酸鋰（LNOI）制成的緊密約束LN波導(dǎo)，為速度匹配、色散工程以及準(zhǔn)相位匹配工程提供了前所未有的可能性。使用薄膜鈮酸鋰平臺(tái)的突破性概念驗(yàn)證包括高速EO調(diào)制器、EO頻率梳發(fā)生器以及最近的太赫茲波形合成。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國(guó)倫斯勒理工學(xué)院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人員近期報(bào)道了一種薄膜鈮酸鋰電光太赫茲探測(cè)器，利用在LNOI中制造的集成光路（PIC），對(duì)自由傳播太赫茲輻射脈沖進(jìn)行了時(shí)間分辨EO檢測(cè)。該EO太赫茲波探測(cè)器設(shè)計(jì)方案創(chuàng)新性地利用并整合了LNOI材料科學(xué)、集成光路微加工以及商業(yè)通信波長(zhǎng)光纖等領(lǐng)域的進(jìn)展。作為概念驗(yàn)證，研究人員設(shè)計(jì)、制造并表征了一種獨(dú)創(chuàng)的薄膜LNOI電光探測(cè)器芯片。并利用該原型器件，對(duì)自由傳播的頻率高達(dá)800 GHz的亞皮秒太赫茲輻射脈沖電場(chǎng)進(jìn)行了有效的相敏檢測(cè)。

薄膜LNOI電光太赫茲傳感器設(shè)計(jì)

最先進(jìn)的太赫茲頻率電場(chǎng)EO檢測(cè)利用的是塊體EO晶體。探測(cè)器的靈敏度和帶寬受限于EO晶體內(nèi)近紅外和太赫茲電場(chǎng)之間的相位失配（與折射率失配直接相關(guān)）。LN是一種EO晶體，具有很強(qiáng)的線性EO調(diào)制。塊體LN晶體在太赫茲和亞太赫茲頻率下表現(xiàn)出不利的高相位失配，因此當(dāng)用于檢測(cè)自由傳播的太赫茲輻射脈沖時(shí)，信噪比（SNR）很低。塊體LN晶體電場(chǎng)靈敏度低至1 Vm?1 √Hz已得到證實(shí)，但由于固有的相位失配特性，LN EO探測(cè)器的帶寬受到了限制。對(duì)于100 GHz以上頻率的EO采樣，ZnTe和GaP可提供大得多的帶寬，但其靈敏度卻因EO系數(shù)低于LN而受到限制。

與最先進(jìn)的技術(shù)相比，LN由于電光系數(shù)大得多，因而在電場(chǎng)電光探測(cè)方面優(yōu)于ZnTe和GaP。重要的是，薄膜LNOI可通過(guò)適當(dāng)?shù)墓獠▽?dǎo)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)太赫茲波信號(hào)和近紅外波的完美相位匹配。此外，通過(guò)使用保偏光纖引導(dǎo)和耦合激光光束進(jìn)出探測(cè)器，大大簡(jiǎn)化了激光探測(cè)光束與EO THz探測(cè)器之間有效而穩(wěn)定的空間對(duì)準(zhǔn)。由于集成光路取代了多個(gè)分立光學(xué)元件（以及它們的機(jī)械支架和固定裝置），因此EO THz探測(cè)器的尺寸和重量大大減小。未來(lái)，薄膜LNOI探測(cè)器芯片經(jīng)濟(jì)高效的晶圓級(jí)生產(chǎn)是可以預(yù)見(jiàn)的。

太赫茲輻射脈沖產(chǎn)生以及太赫茲波電光探測(cè)器測(cè)試的實(shí)驗(yàn)設(shè)置

研究人員利用薄膜鈮酸鋰光波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)了一種概念驗(yàn)證器件，并形成了一個(gè)馬赫-澤恩德干涉儀，干涉儀臂的電極化方向相反。無(wú)需使用天線或等離子體，太赫茲波就能從自由空間有效地耦合到全介質(zhì)器件。該研究成功演示了對(duì)頻率高達(dá)800 GHz太赫茲波的探測(cè)。其探測(cè)器可以探測(cè)頻率高達(dá)4.6 MV/m的太赫茲電場(chǎng)，觀測(cè)到的器件頻率響應(yīng)與理論預(yù)測(cè)非常吻合。

審核編輯：黃飛