近日，一個(gè)來自德國(guó)、意大利和英國(guó)的研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種關(guān)鍵的光子組件，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體量子阱的子帶間躍遷與金屬腔的光子模式超強(qiáng)耦合，有望用可飽和吸收體（SA）制造廉價(jià)的、可引發(fā)短太赫茲脈沖的量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL），這將成為太赫茲應(yīng)用道路上的一個(gè)重要里程碑。

量子級(jí)聯(lián)激光器（QCL）是一種在中長(zhǎng)紅外和太赫茲范圍工作的半導(dǎo)體激光器。在QCL中，電子負(fù)責(zé)發(fā)射光子進(jìn)入隨后的量子阱，由此一個(gè)電子可以產(chǎn)生幾個(gè)光子，效率非常高。從一個(gè)量子阱到另一個(gè)量子阱的過渡稱為“量子級(jí)聯(lián)”。

太赫茲波是指頻率介于微波與紅外之間的電磁波，其性質(zhì)特殊，具有廣泛的應(yīng)用范圍，如機(jī)場(chǎng)安全掃描儀、痕量氣體檢測(cè)、超高速通信技術(shù)和醫(yī)療技術(shù)等。但目前商用的太赫茲源還只能以連續(xù)波模式運(yùn)行，因此研發(fā)廉價(jià)的、能產(chǎn)生很少甚至單周期脈沖的緊湊型量子級(jí)聯(lián)激光器，替代結(jié)構(gòu)復(fù)雜且昂貴的臺(tái)式激光源，將加速帶來太赫茲領(lǐng)域各種激動(dòng)人心的應(yīng)用。

量子級(jí)聯(lián)激光器的發(fā)射過程基于半導(dǎo)體多量子阱（MQW）結(jié)構(gòu)中的子帶間（ISB）躍遷。采用飽和吸收器的被動(dòng)鎖模是激光器產(chǎn)生超短脈沖的一種方法。該模式需要響應(yīng)時(shí)間短且飽和閾值低的可飽和吸收體，但用于太赫茲光譜范圍的可飽和吸收體一直難以實(shí)現(xiàn)，而且所需的光強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了量子級(jí)聯(lián)激光器的能力。

現(xiàn)在，研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種由金鏡和金柵格組成的微結(jié)構(gòu)裝置，它們共同構(gòu)成了太赫茲輻射的共振體，它的共振可以與特殊半導(dǎo)體納米結(jié)構(gòu)中的電子緊密耦合。通過高精度慢動(dòng)作相機(jī)觀察發(fā)現(xiàn)，新結(jié)構(gòu)能很好地響應(yīng)強(qiáng)太赫茲脈沖的刺激，吸收器可在飛秒的時(shí)間尺度上達(dá)到飽和。強(qiáng)烈的光脈沖可以將可飽和吸收體（金柵格）轉(zhuǎn)換成幾乎完美的鏡面。所需光強(qiáng)度比單獨(dú)的純半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)低十倍，且反應(yīng)比太赫茲脈沖的單個(gè)光振蕩更快。

意大利國(guó)家納米科技中心的米瑞安·維迪耶羅教授說：“我們現(xiàn)在掌握了使用飽和吸收體制造超快量子級(jí)聯(lián)激光器的所有必要組件。”太赫茲在很多領(lǐng)域的重要應(yīng)用將有望變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，包括電信、化學(xué)分析和醫(yī)學(xué)診斷等。由于太赫茲輻射的振蕩速率比現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘速率快上千倍，超短太赫茲脈沖可以實(shí)現(xiàn)新一代的電信連接，被認(rèn)為是最有潛力的6G技術(shù)之一。