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一颗“铌”芯，探测万里：3太赫兹薄膜铌酸锂差分场探测器技术解密
太赫兹（THz）辐射的宽带和灵敏检测对于电信、光谱学和量子物理等领域的进步至关重要。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院与美国哈佛大学团队提出了一种基于谐振太赫兹天线的紧凑型高性能太赫兹场探测器，该天线沿着薄膜铌酸锂上的近红外波导印刷。借助这种方法，使用1575 nm、76μ波功率的脉冲激光器，在100ms的积分时间内实现了低至1.9 Vm的噪声等效腔内场，对应于4.6 kV/m的单粒子噪声等效场。此设备将使下一代紧凑型探测器能够应用于光谱学和量子光学。具体内容以“Thin-film lithium niobate terahertz differential field detectors with a bandwidth reaching 3 terahertz”为标题发表在《Nature Communications》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63920-2
近几十年来，太赫兹（THz）辐射的光谱范围因其独特的性质和多样化的应用而成为一个快速增长的研究领域。太赫兹技术的发展对一系列领域都有影响，包括安全、通信和量子物理。与光相比，太赫兹辐射的频率相对较低，这使得飞秒激光脉冲能够在子周期时间尺度上分辨太赫兹场，并产生单周期太赫兹脉冲。最近使用绝缘体上硅马赫曾德干涉仪结合非线性聚合物的太赫兹传感器显示出优异的性能水平。然而，光学损耗和聚合物降解等挑战限制了探针功率和器件寿命。
薄膜铌酸锂技术的进步推动了近红外小型化和宽带光谱仪的发展，以及带宽高达300 GHz、投影超过500GHz的高速电光调制器的发展。通过在薄膜铌酸锂上结合集成波导结构和太赫兹天线产生太赫兹波形，证明了近红外脉冲和太赫兹场之间有效的非线性相互作用。
该团队通过将谐振太赫兹天线与薄膜锂电池波导上的马赫曾德干涉仪相结合，能够高灵敏度地检测宽带太赫兹场。研究人员在每个干涉仪臂上使用一个谐振天线，而不是一对几何阵列，每个阵列最多由九个天线组成。这种设计选择能够检测带宽高达3THz的THz波形。除了基于干涉波导的检测方案外，还研究了对THz场的瞬态导数敏感的第二种方法。
为了通过马赫曾德干涉仪获得有效的强度调制，两个臂中的每一个都必须产生相反方向的相移。尽管之前利用硅光子学的工作采用了非线性材料的反向极化，但最近已经证明了一种新的薄膜铌酸锂方法，该方法通过使用空间位移天线来绕过这一额外的制造步骤。通过沿波导移动天线，利用THz场相对于进入相互作用区域的探测脉冲的时间偏移，导致相互作用时刻电场的相反方向这种方法不仅简化了制造过程，还为量子计量学开辟了新的可能性，此外，集成THz检测的设计灵活性允许通过天线设计和放置来定制频谱范围和时序，为各种应用提供功率可扩展性和低功耗。
该研究所有器件都是在x切薄膜铌酸锂芯片上制造的。为了实现THz辐射的场敏检测，中心波长为1575 nm的近红外飞秒脉冲通过光栅耦合器从光纤的劈裂面耦合到集成的单模脊波导中。同时，太赫兹辐射通过半绝缘硅基板入射。如图1所示，蒸发的THz金天线在承载近红外光学模式的波导内确定了THz场。天线内的THz场和近红外探头信号都平行于轴极化，从而确保了由于铌酸锂沿该轴的电光系数r33较大而产生的有效相互作用。
图1 马赫曾德干涉仪中使用移位天线的集成THz检测原理
具有干涉结构的两点差信号。对于第一种检测方案，集成设备被设计为马赫曾德干涉仪（图1a），类似于基于绝缘体上硅平台的太赫兹探测器。波导基Y分光器将输入的探头强度在两个平行臂之间平均分配，并引导近红外脉冲通过金天线的间隙。探针和限定THz信号之间的相互作用区域由放置在天线中心并沿着铌酸锂波导的两个金电极限定。电极间隙设置为3μm，以尽量减少由于金电极的存在而导致的与吸收相关的光学损失。
由于普克尔效应，受限THz场在探测脉冲上引入了相移。这种偏移与探头穿过天线间隙时的瞬时场强成正比（见图1b）。两个干涉仪臂中各个相互作用过程的时间由THz天线沿波导的精确放置决定，如图1b和d中的虚线所示。实验配置与硅基板的高折射率相结合，确保了THz信号在器件内垂直于芯片表面的传播。由于两个天线沿波导的位移（见图1b），两个脉冲所经历的相移φ1和φ2与两个不同时间的THz场强成正比。图1c表示THz场φ1-φ2产生的额外相位差导致通过干涉仪传输的强度发生变化。
该团队通过在薄膜铌酸锂集成平台上展示了宽带和灵敏的太赫兹检测，表明了其在未来集成太赫兹应用中的巨大潜力。采用了两种不同的检测方案：第一种依赖于集成干涉仪结构，第二种涉及在单个天线内与THz场相互作用后对探针场进行光谱滤波（如图2）。此检测方案能够使用沿铌酸锂波导的单个天线的简单集成结构来测量THz场的时间导数，而无需任何干涉仪结构。相反，光纤耦合光谱长通滤波器将通过与THz场相互作用引起的探测信号的相位变化转换为强度调制。虽然干涉仪装置后的信号由两个不同时间点的瞬时THz场差给出，但仅使用一个波导的检测方案可以在探测脉冲持续时间内获得THz场的时间导数。由于观测到的THz场的光谱振幅不受相移的影响，因此这两种技术同样适用于光谱应用。此外，直接场测量、利用反向极化和差分检测方案的组合增强了集成THz检测的通用性。这种多功能性在光的量子态研究中特别有价值，同时检测场及其时间导数非常有趣。
图2 使用集成干涉仪探测器对THz信号进行实验观察和计算
由于薄膜铌酸锂上太赫兹辐射的产生已经得到证实，因此目前宽带和灵敏检测的证明为在同一集成平台上进行时域太赫兹光谱奠定了基础。特别是，与之前报道的窄带检测方案相比，高达3THz的检测带宽显著拓宽了光谱可及现象的范围。这种扩展的带宽使我们能够研究更广泛的元素激发，包括在整个THz光谱中发生的低能振动、旋转和电子跃迁。结合薄膜铌酸锂上现有的集成元件工具箱，实现完全集成THz时域光谱的必要技术先决条件现在已经到位。
一颗“铌”芯，探测万里：3太赫兹薄膜铌酸锂差分场探测器技术解密
太赫兹（THz）辐射的宽带和灵敏检测对于电信、光谱学和量子物理等领域的进步至关重要。近日，瑞士苏黎世联邦理工学院与美国哈佛大学团队提出了一种基于谐振太赫兹天线的紧凑型高性能太赫兹场探测器，该天线沿着薄膜铌酸锂上的近红外波导印刷。借助这种方法，使用1575 nm、76μ波功率的脉冲激光器，在100ms的积分时间内实现了低至1.9 Vm的噪声等效腔内场，对应于4.6 kV/m的单粒子噪声等效场。此设备将使下一代紧凑型探测器能够应用于光谱学和量子光学。具体内容以“Thin-film lithium niobate terahertz differential field detectors with a bandwidth reaching 3 terahertz”为标题发表在《Nature Communications》上。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-63920-2
近几十年来，太赫兹（THz）辐射的光谱范围因其独特的性质和多样化的应用而成为一个快速增长的研究领域。太赫兹技术的发展对一系列领域都有影响，包括安全、通信和量子物理。与光相比，太赫兹辐射的频率相对较低，这使得飞秒激光脉冲能够在子周期时间尺度上分辨太赫兹场，并产生单周期太赫兹脉冲。最近使用绝缘体上硅马赫曾德干涉仪结合非线性聚合物的太赫兹传感器显示出优异的性能水平。然而，光学损耗和聚合物降解等挑战限制了探针功率和器件寿命。
薄膜铌酸锂技术的进步推动了近红外小型化和宽带光谱仪的发展，以及带宽高达300 GHz、投影超过500GHz的高速电光调制器的发展。通过在薄膜铌酸锂上结合集成波导结构和太赫兹天线产生太赫兹波形，证明了近红外脉冲和太赫兹场之间有效的非线性相互作用。
该团队通过将谐振太赫兹天线与薄膜锂电池波导上的马赫曾德干涉仪相结合，能够高灵敏度地检测宽带太赫兹场。研究人员在每个干涉仪臂上使用一个谐振天线，而不是一对几何阵列，每个阵列最多由九个天线组成。这种设计选择能够检测带宽高达3THz的THz波形。除了基于干涉波导的检测方案外，还研究了对THz场的瞬态导数敏感的第二种方法。
为了通过马赫曾德干涉仪获得有效的强度调制，两个臂中的每一个都必须产生相反方向的相移。尽管之前利用硅光子学的工作采用了非线性材料的反向极化，但最近已经证明了一种新的薄膜铌酸锂方法，该方法通过使用空间位移天线来绕过这一额外的制造步骤。通过沿波导移动天线，利用THz场相对于进入相互作用区域的探测脉冲的时间偏移，导致相互作用时刻电场的相反方向这种方法不仅简化了制造过程，还为量子计量学开辟了新的可能性，此外，集成THz检测的设计灵活性允许通过天线设计和放置来定制频谱范围和时序，为各种应用提供功率可扩展性和低功耗。
该研究所有器件都是在x切薄膜铌酸锂芯片上制造的。为了实现THz辐射的场敏检测，中心波长为1575 nm的近红外飞秒脉冲通过光栅耦合器从光纤的劈裂面耦合到集成的单模脊波导中。同时，太赫兹辐射通过半绝缘硅基板入射。如图1所示，蒸发的THz金天线在承载近红外光学模式的波导内确定了THz场。天线内的THz场和近红外探头信号都平行于轴极化，从而确保了由于铌酸锂沿该轴的电光系数r33较大而产生的有效相互作用。
图1 马赫曾德干涉仪中使用移位天线的集成THz检测原理
具有干涉结构的两点差信号。对于第一种检测方案，集成设备被设计为马赫曾德干涉仪（图1a），类似于基于绝缘体上硅平台的太赫兹探测器。波导基Y分光器将输入的探头强度在两个平行臂之间平均分配，并引导近红外脉冲通过金天线的间隙。探针和限定THz信号之间的相互作用区域由放置在天线中心并沿着铌酸锂波导的两个金电极限定。电极间隙设置为3μm，以尽量减少由于金电极的存在而导致的与吸收相关的光学损失。
由于普克尔效应，受限THz场在探测脉冲上引入了相移。这种偏移与探头穿过天线间隙时的瞬时场强成正比（见图1b）。两个干涉仪臂中各个相互作用过程的时间由THz天线沿波导的精确放置决定，如图1b和d中的虚线所示。实验配置与硅基板的高折射率相结合，确保了THz信号在器件内垂直于芯片表面的传播。由于两个天线沿波导的位移（见图1b），两个脉冲所经历的相移φ1和φ2与两个不同时间的THz场强成正比。图1c表示THz场φ1-φ2产生的额外相位差导致通过干涉仪传输的强度发生变化。
该团队通过在薄膜铌酸锂集成平台上展示了宽带和灵敏的太赫兹检测，表明了其在未来集成太赫兹应用中的巨大潜力。采用了两种不同的检测方案：第一种依赖于集成干涉仪结构，第二种涉及在单个天线内与THz场相互作用后对探针场进行光谱滤波（如图2）。此检测方案能够使用沿铌酸锂波导的单个天线的简单集成结构来测量THz场的时间导数，而无需任何干涉仪结构。相反，光纤耦合光谱长通滤波器将通过与THz场相互作用引起的探测信号的相位变化转换为强度调制。虽然干涉仪装置后的信号由两个不同时间点的瞬时THz场差给出，但仅使用一个波导的检测方案可以在探测脉冲持续时间内获得THz场的时间导数。由于观测到的THz场的光谱振幅不受相移的影响，因此这两种技术同样适用于光谱应用。此外，直接场测量、利用反向极化和差分检测方案的组合增强了集成THz检测的通用性。这种多功能性在光的量子态研究中特别有价值，同时检测场及其时间导数非常有趣。
图2 使用集成干涉仪探测器对THz信号进行实验观察和计算
由于薄膜铌酸锂上太赫兹辐射的产生已经得到证实，因此目前宽带和灵敏检测的证明为在同一集成平台上进行时域太赫兹光谱奠定了基础。特别是，与之前报道的窄带检测方案相比，高达3THz的检测带宽显著拓宽了光谱可及现象的范围。这种扩展的带宽使我们能够研究更广泛的元素激发，包括在整个THz光谱中发生的低能振动、旋转和电子跃迁。结合薄膜铌酸锂上现有的集成元件工具箱，实现完全集成THz时域光谱的必要技术先决条件现在已经到位。