近日，中国科学院上海光学精密机械研究所超强激光科学与技术全国重点实验室研究团队在太赫兹驱动声子极化激元产生及相干调制机理方面取得重要进展。该成果以Coherent Manipulation of Second-Harmonic Generation via Terahertz-Field Mediated Phonon-Polariton in Zinc Oxide为题在线发表于Nature Communications。
高速信号调制技术是光通信、数据中心、量子计算等前沿领域的核心支撑。近年来，硅基和铌酸锂基两大技术路线在材料集成、工艺突破与应用场景扩展上均取得显著进展。传统的硅基电光调制技术基于自由载流子等离子色散(FCPD)效应或直流Kerr效应，通过施加电压调制光的相位或强度。这种方式受限于电子驱动频率、RC延迟、电极设计等因素，调制带宽难以突破百GHz量级。铌酸锂基电光调制技术基于线性电光效应(Pockels效应)，通过外加电场改变晶体折射率，进而调控马赫-曾德尔(MZ)干涉仪两臂间的相位差，实现高速、高线性度的光信号调制。目前已实现数百GHz的信号调制，但受限于电极微波与光波速度失配等问题，达到THz频率的高速调制仍面临挑战。
近年来，团队在科技部重点研发专项“超快强激光泵浦强太赫兹源驱动材料与器件非平衡态研究”支持下，在“羲和”等强激光大科学装置发展了强场太赫兹调控平台与技术：实现了基于铌酸锂晶体的最强THz脉冲源能量纪录13.9 mJ [Advanced Materials, 35(23): 2208947 (2023)]；发展了国际首个超越MeV的太赫兹波导电子枪，在指尖尺寸(长度5mm)距离实现最高1.1 MeV的电子能量增益[Nature Photonics 17, 957–963 (2023)]。团队针对调控机理及器件研发等目标展开攻关，系统研究了宽禁带半导体ZnO中声子极化激元(PhP)的产生机制及其调制原理。
PhP是一类由红外活性光学声子与电磁波强耦合而形成的准粒子，具有方向性强、电场限域能力高等特性，广泛存在于极性晶体中，特别活跃于THz频段。在自主搭建的超快THz泵浦-探测系统上，通过调控THz场强、偏振、红外光波长等，成功激发出3~4 THz范围内的PhP。该PhP以THz频率调控ZnO晶体内极化反转，进而激发光波的SHG过程，且产生的光学SHG相位以THz频率变化。这一相位高速调制的光信号与晶体内本征SHG干涉，可实现光信号强度的THz频率调制。这种通过调控相位实现信号强度高速调制的机制，可类比于铌酸锂基光信号调制原理，而调制频率提高了一个量级。得益于ZnO晶体中PhP的低损耗、高反射特性，PhP在1mm晶体内完成九次反射，对SHG信号实现了持续约90ps，消光比约18 dB，频率3~4THz的高速调制。
这种基于THz-PhP 驱动的光学SHG产生与调制过程，构建了一种全新的时频联合控制平台。相比传统非线性调制器，PhP 系统具备两大关键优势：一是工作频率覆盖 THz 至中红外的宽广频段，满足高带宽应用需求；二是其周期性传播结构天然适配相干控制，能够将 THz 振荡特征嵌入通信波段光学响应中，适用于构建频率
转换器件。研究构建了“光声准粒子机制——光脉冲调制器”，对THz超高重频激光的研发具有重要意义，并有望作为THz频率调制器等核心部件应用于超高速光信息通讯领域。
中国科学院上海光机所方依霏副研究员、博士研究生郝嘉静为共同第一作者，宋立伟、田野研究员及李儒新院士为共同通讯作者，相关工作得到了科技部重点研发计划、国家杰出青年科学基金以及基础研究特区计划等支持。
图 (a)-(c)展示利用红外探测光研究THz-PhP激发和传输动力学。图(d)展示THz辅助声子激发及THz-PhP演化实验结果与相位匹配机理
