近日，中國科學院上海光學精密機械研究所超強激光科學與技術全國重點實驗室研究團隊在太赫茲驅動聲子極化激元產生及相干調制機理方面取得重要進展。該成果以Coherent Manipulation of Second-Harmonic Generation via Terahertz-Field Mediated Phonon-Polariton in Zinc Oxide為題在線發表于Nature Communications。
 

　　高速信號調制技術是光通信、數據中心、量子計算等前沿領域的核心支撐。近年來，硅基和鈮酸鋰基兩大技術路線在材料集成、工藝突破與應用場景擴展上均取得顯著進展。傳統的硅基電光調制技術基于自由載流子等離子色散(FCPD)效應或直流Kerr效應，通過施加電壓調制光的相位或強度。這種方式受限于電子驅動頻率、RC延遲、電極設計等因素，調制帶寬難以突破百GHz量級。鈮酸鋰基電光調制技術基于線性電光效應(Pockels效應)，通過外加電場改變晶體折射率，進而調控馬赫-曾德爾(MZ)干涉儀兩臂間的相位差，實現高速、高線性度的光信號調制。目前已實現數百GHz的信號調制，但受限于電極微波與光波速度失配等問題，達到THz頻率的高速調制仍面臨挑戰。
 

　　近年來，團隊在科技部重點研發專項“超快強激光泵浦強太赫茲源驅動材料與器件非平衡態研究”支持下，在“羲和”等強激光大科學裝置發展了強場太赫茲調控平臺與技術：實現了基于鈮酸鋰晶體的最強THz脈沖源能量紀錄13.9?mJ [Advanced Materials, 35(23): 2208947 (2023)]；發展了國際首個超越MeV的太赫茲波導電子槍，在指尖尺寸(長度5mm)距離實現最高1.1 MeV的電子能量增益[Nature Photonics 17, 957–963 (2023)]。團隊針對調控機理及器件研發等目標展開攻關，系統研究了寬禁帶半導體ZnO中聲子極化激元(PhP)的產生機制及其調制原理。
 

　　PhP是一類由紅外活性光學聲子與電磁波強耦合而形成的準粒子，具有方向性強、電場限域能力高等特性，廣泛存在于極性晶體中，特別活躍于THz頻段。在自主搭建的超快THz泵浦-探測系統上，通過調控THz場強、偏振、紅外光波長等，成功激發出3~4 THz范圍內的PhP。該PhP以THz頻率調控ZnO晶體內極化反轉，進而激發光波的SHG過程，且產生的光學SHG相位以THz頻率變化。這一相位高速調制的光信號與晶體內本征SHG干涉，可實現光信號強度的THz頻率調制。這種通過調控相位實現信號強度高速調制的機制，可類比于鈮酸鋰基光信號調制原理，而調制頻率提高了一個量級。得益于ZnO晶體中PhP的低損耗、高反射特性，PhP在1mm晶體內完成九次反射，對SHG信號實現了持續約90ps，消光比約18 dB，頻率3~4THz的高速調制。
 

　　這種基于THz-PhP 驅動的光學SHG產生與調制過程，構建了一種全新的時頻聯合控制平臺。相比傳統非線性調制器，PhP 系統具備兩大關鍵優勢：一是工作頻率覆蓋 THz 至中紅外的寬廣頻段，滿足高帶寬應用需求；二是其周期性傳播結構天然適配相干控制，能夠將 THz 振蕩特征嵌入通信波段光學響應中，適用于構建頻率轉換器件。研究構建了“光聲準粒子機制——光脈沖調制器”，對THz超高重頻激光的研發具有重要意義，并有望作為THz頻率調制器等核心部件應用于超高速光信息通訊領域。
 

　　中國科學院上海光機所方依霏副研究員、博士研究生郝嘉靜為共同第一作者，宋立偉、田野研究員及李儒新院士為共同通訊作者，相關工作得到了科技部重點研發計劃、國家杰出青年科學基金以及基礎研究特區計劃等支持。
 

　　圖 (a)-(c)展示利用紅外探測光研究THz-PhP激發和傳輸動力學。圖(d)展示THz輔助聲子激發及THz-PhP演化實驗結果與相位匹配機理