UCLA团队攻克太赫兹集成化难题：量子阱芯片实现百GHz级收发，效率提升一个数量级
在微波与红外光之间，有一段研究者们花了数十年试图驾驭的电磁频谱——太赫兹波段。它被寄予厚望，有望实现超高速无线数据传输和全新的高精度成像技术，但构建实用系统却一直异常困难。尽管经过数十年持续探索，太赫兹系统仍大多停留在实验室环境中，因为产生、操控和探测这些信号所需的设备往往体积庞大、价格昂贵，且难以从实验室走向大规模应用。
如今，加州大学洛杉矶分校（UCLA）的研究人员展示了一条突破这一障碍的实用路径：将众多关键功能集成到单一半导体芯片上。该研究的作者之一、UCLA工程学教授莫娜·贾拉希表示：“我们证明了其中许多功能可以利用成熟的行业标准制造平台集成到单颗芯片上，这为面向实际应用、可扩展的太赫兹技术打开了大门。”
此前许多构建集成太赫兹系统的尝试都依赖特殊材料或非常规制造方法，而这些方法难以与标准光子芯片制造工艺相兼容。由UCLA牵头的团队选择了一条不同的策略。他们没有去设计全新材料，而是聚焦于量子阱——一种已在光子集成电路中广泛使用的极薄半导体层。
多年来，不少研究者认为量子阱难以支持的太赫兹工作，因为电子可能会在结构内部被捕获过长时间。UCLA团队却得出了不同的结论。他们的测量显示，电子在不到一万亿分之一秒内就能逃离量子阱，这一速度足以支持太赫兹频率下的器件工作。这一发现重新确立了量子阱作为集成太赫兹器件可行基础的定位。
研究人员使用了由砷化镓和铝镓砷（GaAs/AlGaAs）制成的量子阱PIN光电二极管。他们证明，这些结构既能有效产生也能高灵敏度探测太赫兹信号，其核心过程被称为“增益增强型带间光混频”。
用光产生和探测太赫兹波
该系统背后的物理原理相对直接。将两束频率略有差异的激光射入量子阱器件，当光波在阱内重叠时，会产生一个频率等于两束激光频率之差的电振荡。如果这个差频恰好落在太赫兹范围内，器件便能直接辐射出太赫兹信号。令人称奇的是，同样的结构也可以反向工作，以高灵敏度探测入射的太赫兹波。
论文作者指出：“在GaAs/AlGaAs量子阱光子集成电路衬底上制造的原型中，我们展示了在100–500 GHz范围内频率可调的太赫兹产生与探测，同时实现了更高的太赫兹产生效率和更优的探测灵敏度。”研究人员还在同一芯片上集成了半导体光放大器，进一步提升了整体性能。这使得太赫兹产生效率提高了约一个数量级，同时降低了工作所需的光功率。
这项工作构成了该团队所称的“单片集成太赫兹光电子（MITO）平台”的基础。该平台旨在利用与商用光子代工厂已兼容的制造方法，在共享半导体衬底上集成光源、探测器、放大器、调制器及其他光子组件。值得注意的是，该原型目前仍依赖外部激光器供光，但平台在架构设计中已为未来集成预留了空间。研究人员设想，最终可将可调谐激光器及其他光子组件直接整合到同一芯片上，以更紧凑的形式构建功能更完整的太赫兹系统。
迈向实用太赫兹技术的一步
如果该平台被证实具有可扩展性，它可能产生与集成电路对传统电子产业类似的影响——用紧凑、可量产的芯片取代庞大的实验室装置。此类系统不仅有望支撑远超当今网络的未来无线通信技术，还能催生便携式高分辨率成像设备、高灵敏度化学传感系统、工业无损检测工具以及先进的遥感平台。
这项研究有别于以往许多太赫兹集成尝试的关键之处在于，它将信号产生和灵敏的探测结合在了一个与成熟光子制造工艺相兼容的平台上。这种兼容性使得大规模生产比那些依赖特殊制造技术的方法更具现实可行性。
然而，必须清醒认识到，该技术目前仍处于实验室原型阶段。在完全集成的太赫兹通信或成像系统实现商业化之前，仍有大量工程和集成工作要做。接下来的关键步骤包括集成更多的片上功能组件、持续优化性能指标，以及将平台扩展为更大规模的太赫兹源和探测器阵列。该突破性研究已发表于国际权威期刊《自然·通讯》上。
参考内容：https://m.sohu.com/a/1053301242_121010025
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