由 EPFL 工程学院混合光子学实验室 ( HYLAB )的 Cristina Benea-Chelmus 领导的研究人员已朝着成功利用所谓的太赫兹间隙迈出了一大步，该间隙介于约 300-30,000 千兆赫兹（0.3 至 30 太赫兹）之间在电磁波谱上。这个范围目前是技术死区，描述的频率对于当今的电子和电信设备来说太快，但对于光学和成像应用来说太慢了。
现在，多亏了带有由铌酸锂制成的集成光子电路的极薄芯片，苏黎世联邦理工学院和哈佛大学的 HYLAB 研究人员和同事不仅成功地产生了太赫兹波，而且还设计了一种定制频率的解决方案，波长、振幅和相位。对太赫兹辐射的这种精确控制意味着它现在有可能被用于电子和光学领域的下一代应用。结果最近发表在《自然通讯》上。
“看到这些设备发出的辐射具有我们预定义的特性，这证实了我们的模型是正确的，”目前是苏黎世联邦理工学院博士生的共同第一作者 Alexa Herter 说。
“由于铌酸锂集成光子学的独特特性，这成为可能，”共同第一作者、哈佛大学博士后 Amirhassan Shams-Ansari 补充道。
电信就绪
Benea-Chelmus 解释说，虽然这种太赫兹波以前是在实验室环境中产生的，但以前的方法主要依靠块状晶体来产生正确的频率。她的实验室使用铌酸锂电路，由哈佛大学的合作者在纳米尺度上精细蚀刻，使他们的新方法更加精简。硅基板的使用还使该设备适合集成到电子和光学系统中。
“以非常高的频率产生波浪极具挑战性，而且很少有技术可以产生具有独特模式的波浪。我们现在能够设计出太赫兹波的精确时间形状——本质上说，‘我想要一个看起来像这样的波形，’”她解释道。
为实现这一目标，Benea-Chelmus 的实验室设计了芯片的通道排列，称为波导，微型天线从中广播由光纤发出的光产生的太赫兹波。
“我们的设备已经使用标准光信号这一事实确实是一个优势，因为这意味着这些新芯片可以与传统激光器一起使用，这些激光器工作得很好并且很容易理解。这意味着我们的设备与电信兼容，”Benea-Chelmus 强调说。她补充说，在太赫兹范围内发送和接收信号的微型设备可以在第六代移动系统 (6G) 中发挥关键作用。
在光学领域，Benea-Chelmus 看到了微型铌酸锂芯片在光谱学和成像方面的特殊潜力。除了非电离之外，太赫兹波的能量比目前用于提供有关材料成分信息的许多其他类型的波（如 X 射线）低得多，无论是骨头还是油画。因此，像铌酸锂芯片这样的紧凑型非破坏性设备可以为当前的光谱技术提供一种侵入性较小的替代方案。
“你可以想象通过你感兴趣的材料发送太赫兹辐射并分析它以测量材料的响应，这取决于它的分子结构。所有这一切都来自一个比火柴头还小的设备。”
量子未来
接下来，Benea-Chelmus 计划专注于调整芯片波导和天线的特性，以设计出振幅更大、频率和衰减率更精细的波形。她还看到了她实验室开发的太赫兹技术在量子应用中的潜力。
“有许多基本问题需要解决；例如，我们感兴趣的是我们是否可以使用这种芯片来产生可以在极短时间尺度上进行操作的新型量子辐射。量子科学中的这种波可以用来控制量子物体。
