据外媒报道，洛桑联邦理工学院（EPFL）和哈佛大学（Harvard University）的研究人员设计出一款芯片，可在同一设备上实现太赫兹电磁脉冲和光学脉冲之间的转换。这种集成设计有望助力超高速电信、测距、光谱和计算设备的开发。

图片来源： EPFL

太赫兹辐射是指电磁波谱中频率高于微波（用于Wi-Fi等电信技术）但低于红外光（用于激光和光纤）的波段。太赫兹（THz）信号的波长较短，这意味着它可以非常快速地传输大量数据，但将THz辐射与现有的光学和微波技术相结合一直极具挑战性。

202年，混合光子学实验室（Laboratory of Hybrid Photonics）的研究人员制造出一种由铌酸锂制成的极薄光子芯片，当连接到激光束时，可以产生可精细控制的太赫兹波，从而距离弥合这一差距又近了一步。现在，该团队报告了一种新颖的设计，它不仅可以产生太赫兹波，还可以通过将入射太赫兹波转换为光信号来检测入射太赫兹波。

这种在单个微型平台上进行的双向转换是连接太赫兹和光领域的关键一步，有望助力开发用于通信、传感、光谱和计算的紧凑型、低功耗设备。该研究已发表在期刊《Nature Communications》上。

混合光子学实验室负责人Cristina Benea-Chelmus表示：“除了首次在铌酸锂光子电路芯片上探测到太赫兹脉冲之外，我们还产生了强度超过100倍的太赫兹电场，并将带宽提高了五倍（从680 GHz增加到3.5 THz）。”

从太赫兹雷达到6G通信

博士生兼第一作者Yazan Lampert解释说，该团队的创新设计核心在于将微米级结构（称为传输线）嵌入铌酸锂光子芯片中。这些传输线就像芯片级无线电电缆一样，引导太赫兹波沿芯片传输。通过在附近放置第二个结构来引导光波，科学家们增强了两者之间的相互作用和转换，同时最大限度地减少了能量损失。

“我们只需通过微型电路设计，就能在同一平台上控制光脉冲和太赫兹脉冲。我们的方法将光子电路和太赫兹电路结合在一个设备上，并实现了前所未有的带宽，”Lampert说道。

例如，该混合器件产生的宽带太赫兹信号可用于开发太赫兹雷达，利用极短的太赫兹脉冲估算物体的距离（测距），精度可达1毫米。得益于其紧凑节能的设计，该芯片还兼容现有的光子技术，例如激光器、光调制器和探测器。该团队目前正致力于芯片设计的完全微型化，以便无缝集成到下一代通信和测距系统中，例如自动驾驶汽车中使用的系统。

本文共同第一作者、DRS Daylight Solutions首席激光工程师（曾任哈佛大学博士后研究员）Amirhassan Shams-Ansari表示：“薄膜铌酸锂已被证明是集成光子学的强大平台，能够助力新一代应用和器件的开发。看到这项技术在前景广阔但尚未得到充分探索的太赫兹领域取得进展，我们感到非常兴奋。”

Benea-Chelmus表示：“我们预计，我们提出的设计指南将在未来的太赫兹应用中发挥至关重要的作用，例如高速6G通信，其中传感和测距将成为通信网络的重要组成部分。”