一种薄膜铌酸锂电光太赫兹探测器介绍

亚皮秒太赫兹电磁辐射脉冲的自由空间电光采样，对于时域太赫兹光谱、时域太赫兹成像、光子时间拉伸测量、近场太赫兹显微镜以及时域太赫兹量子光学非常重要。这些测量模式需要具有0.1~10 THz带宽的电光探测方案，太赫兹光谱和成像的探测阈值为~ 1 V/cm，加速器和非线性太赫兹光谱纵向电子束长度测量的动态范围为~ MV/cm。射频（RF）、毫米波和太赫兹频率电场的电光测量在加速器电子束诊断、等离子体物理学、生物医学传感、激光雷达、微波集成电路以及天线表征等领域也是不可或缺的。

线性电光（EO）效应发生在非中心对称晶体中，外加电场改变材料的折射率，产生偏振和相位调制，也称为波克尔斯效应（Pockels effect）。EO效应可在瞬间有效发生，从而实现高时间分辨率。此外，全介质EO传感器产生的采样电场失真可忽略不计。通过与自由传播单周期亚皮秒太赫兹辐射脉冲或瞬态电场时间同步的飞秒（fs）近红外（NIR）激光脉冲，探测太赫兹频率电场引起的EO晶体折射率变化。其灵敏度取决于EO晶体的波克尔斯系数、太赫兹波和近红外波在EO晶体中传播速度的匹配，以及它们之间的相互作用长度。

铌酸锂（LN）具有较大的电光材料系数，对可见光和近红外波（0.4-5 µm）具有高透明度，对射频、毫米波和太赫兹波（< 10 THz）具有低吸收，是一种用于高频电场传感的多功能材料。由绝缘体上薄膜铌酸锂（LNOI）制成的紧密约束LN波导，为速度匹配、色散工程以及准相位匹配工程提供了前所未有的可能性。使用薄膜铌酸锂平台的突破性概念验证包括高速EO调制器、EO频率梳发生器以及最近的太赫兹波形合成。

据麦姆斯咨询介绍，美国伦斯勒理工学院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人员近期报道了一种薄膜铌酸锂电光太赫兹探测器，利用在LNOI中制造的集成光路（PIC），对自由传播太赫兹辐射脉冲进行了时间分辨EO检测。该EO太赫兹波探测器设计方案创新性地利用并整合了LNOI材料科学、集成光路微加工以及商业通信波长光纤等领域的进展。作为概念验证，研究人员设计、制造并表征了一种独创的薄膜LNOI电光探测器芯片。并利用该原型器件，对自由传播的频率高达800 GHz的亚皮秒太赫兹辐射脉冲电场进行了有效的相敏检测。

薄膜LNOI电光太赫兹传感器设计

最先进的太赫兹频率电场EO检测利用的是块体EO晶体。探测器的灵敏度和带宽受限于EO晶体内近红外和太赫兹电场之间的相位失配（与折射率失配直接相关）。LN是一种EO晶体，具有很强的线性EO调制。块体LN晶体在太赫兹和亚太赫兹频率下表现出不利的高相位失配，因此当用于检测自由传播的太赫兹辐射脉冲时，信噪比（SNR）很低。块体LN晶体电场灵敏度低至1 Vm⁻¹ √Hz已得到证实，但由于固有的相位失配特性，LN EO探测器的带宽受到了限制。对于100 GHz以上频率的EO采样，ZnTe和GaP可提供大得多的带宽，但其灵敏度却因EO系数低于LN而受到限制。

与最先进的技术相比，LN由于电光系数大得多，因而在电场电光探测方面优于ZnTe和GaP。重要的是，薄膜LNOI可通过适当的光波导设计实现太赫兹波信号和近红外波的完美相位匹配。此外，通过使用保偏光纤引导和耦合激光光束进出探测器，大大简化了激光探测光束与EO THz探测器之间有效而稳定的空间对准。由于集成光路取代了多个分立光学元件（以及它们的机械支架和固定装置），因此EO THz探测器的尺寸和重量大大减小。未来，薄膜LNOI探测器芯片经济高效的晶圆级生产是可以预见的。

太赫兹辐射脉冲产生以及太赫兹波电光探测器测试的实验设置

研究人员利用薄膜铌酸锂光波导实现了一种概念验证器件，并形成了一个马赫-泽恩德干涉仪，干涉仪臂的电极化方向相反。无需使用天线或等离子体，太赫兹波就能从自由空间有效地耦合到全介质器件。该研究成功演示了对频率高达800 GHz太赫兹波的探测。其探测器可以探测频率高达4.6 MV/m的太赫兹电场，观测到的器件频率响应与理论预测非常吻合。

审核编辑：黄飞