一種薄膜鈮酸鋰電光太赫茲探測器介紹

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

線性電光（EO）效應發生在非中心對稱晶體中，外加電場改變材料的折射率，產生偏振和相位調制，也稱為波克爾斯效應（Pockels effect）。EO效應可在瞬間有效發生，從而實現高時間分辨率。此外，全介質EO傳感器產生的采樣電場失真可忽略不計。通過與自由傳播單周期亞皮秒太赫茲輻射脈沖或瞬態電場時間同步的飛秒（fs）近紅外（NIR）激光脈沖，探測太赫茲頻率電場引起的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、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度。

鈮酸鋰（LN）具有較大的電光材料系數，對可見光和近紅外波（0.4-5 μm）具有高透明度，對射頻、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，為速度匹配、色散工程以及準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的突破性概念驗證包括高速EO調制器、EO頻率梳發生器以及最近的太赫茲波形合成。

據麥姆斯咨詢介紹，美國倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人員近期報道了一種薄膜鈮酸鋰電光太赫茲探測器，利用在LNOI中制造的集成光路（PIC），對自由傳播太赫茲輻射脈沖進行了時間分辨EO檢測。該EO太赫茲波探測器設計方案創新性地利用并整合了LNOI材料科學、集成光路微加工以及商業通信波長光纖等領域的進展。作為概念驗證，研究人員設計、制造并表征了一種獨創的薄膜LNOI電光探測器芯片。并利用該原型器件，對自由傳播的頻率高達800 GHz的亞皮秒太赫茲輻射脈沖電場進行了有效的相敏檢測。

薄膜LNOI電光太赫茲傳感器設計

最先進的太赫茲頻率電場EO檢測利用的是塊體EO晶體。探測器的靈敏度和帶寬受限于EO晶體內近紅外和太赫茲電場之間的相位失配（與折射率失配直接相關）。LN是一種EO晶體，具有很強的線性EO調制。塊體LN晶體在太赫茲和亞太赫茲頻率下表現出不利的高相位失配，因此當用于檢測自由傳播的太赫茲輻射脈沖時，信噪比（SNR）很低。塊體LN晶體電場靈敏度低至1 Vm?1 √Hz已得到證實，但由于固有的相位失配特性，LN EO探測器的帶寬受到了限制。對于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系數低于LN而受到限制。

與最先進的技術相比，LN由于電光系數大得多，因而在電場電光探測方面優于ZnTe和GaP。重要的是，薄膜LNOI可通過適當的光波導設計實現太赫茲波信號和近紅外波的完美相位匹配。此外，通過使用保偏光纖引導和耦合激光光束進出探測器，大大簡化了激光探測光束與EO THz探測器之間有效而穩定的空間對準。由于集成光路取代了多個分立光學元件（以及它們的機械支架和固定裝置），因此EO THz探測器的尺寸和重量大大減小。未來，薄膜LNOI探測器芯片經濟高效的晶圓級生產是可以預見的。

太赫茲輻射脈沖產生以及太赫茲波電光探測器測試的實驗設置

研究人員利用薄膜鈮酸鋰光波導實現了一種概念驗證器件，并形成了一個馬赫-澤恩德干涉儀，干涉儀臂的電極化方向相反。無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器件。該研究成功演示了對頻率高達800 GHz太赫茲波的探測。其探測器可以探測頻率高達4.6 MV/m的太赫茲電場，觀測到的器件頻率響應與理論預測非常吻合。

審核編輯：黃飛