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《自然·通讯》刊发张新亮教授团队集成太赫兹隔离器的研究成果

发布时间:2021-09-26 09:17    浏览量:    作者:吴坚
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      9月22日,《自然·通讯》(Nature Communications)在线发表了华中科技大学武汉光电国家研究中心/光学与电子信息学院张新亮教授与北京航空航天大学吴晓君副教授合作研究成果:具有超高隔离度的片上太赫兹隔离器“On-chip terahertz isolator with ultrahigh isolation ratios”。本工作是首例基于片上集成器件平台的高隔离度的太赫兹光隔离器,为未来太赫兹器件系统的集成化、小型化打下基础。

      随着太赫兹技术在无线通信、物质检测、安检等领域的飞速发展,相关技术逐渐进入人们的日常生活并扮演更为重要的角色。其中,太赫兹源、探测器以及不同种类的功能性器件是实现各类功能应用的基础。各类器件中,可类比于电学二极管的太赫兹隔离器是太赫兹系统的核心器件之一,其单向导通的特点在太赫兹源的保护、抑制干扰信号等方面具有重要的应用价值。

      传统的太赫兹隔离器依赖太赫兹磁光效应,法拉第旋光效应或非互易吸收是实现隔离的主要方案,这些方案强烈依赖于太赫兹波的偏振或入射角度,主要适用于空间传输的太赫兹波。另一方面,器件的隔离效果是其重要表征,更高的隔离度表明其对干扰信号的隔绝效果越出色。当前,器件的隔离度依赖于太赫兹检偏器或磁性材料的吸收,效果上仍然有待进一步优化。为了实现集成的具有高隔离度隔离器芯片,需要在太赫兹集成芯片平台上讨论太赫兹磁光效应,通过引入太赫兹谐振结构实现隔离效果的进一步提升。


图1 (a) 太赫兹隔离器芯片结构示意图;(b) 太赫兹隔离器芯片测量与实物图
     
      此前,张新亮教授通过与从事太赫兹技术研究的吴晓君副教授合作,率先开展了集成太赫兹光子学器件的研究,先后研究了集成的高品质太赫兹回音壁模式谐振腔(Optics Letters 44(11) 2835-2838, 2019)、太赫兹法诺共振(Applied Physics Letters 115, 201102, 2019)以及片上可调谐上传下载环腔芯片(Optics Letters 44(19) 4670-4673, 2019)等。在此基础上,团队将太赫兹磁性材料锑化铟(InSb)引入硅基集成平台,与太赫兹跑道型环腔结合,首次提出并实现了片上太赫兹光隔离器(图1)。通过外加磁场,借助InSb的磁光效应对器件的传输特性实现调控。实验在室温条件下观测了器件顺时针与逆时针方向的频率失谐,由此验证芯片的非互易传输效果。基于其非互易传输状态,在特定中心频率位置验证了最高达到52dB的高隔离度特性(图2);对比已经报道的结果,隔离度的提升达到17dB,表明器件在实际应用中对于干扰信号的隔绝能力进一步增强。

 

图2 (a) 频率失谐随磁场的变化;(b) 太赫兹隔离器芯片非互易传输谱与隔离效果
     
      此外,借助谐振腔的电热调谐方案,实验验证了片上隔离器的可调谐性(调谐范围2.8 GHz),证实了器件在不同中心频率具有隔离效果,从而能够满足实际应用对于器件灵活性的要求(图3)。

 

图3 (a) 太赫兹隔离器芯片的中心频率调谐;(b) 调谐过程中的芯片隔离效果
     
      本文报道的片上太赫兹隔离器,以硅基芯片为平台,结合磁性材料的磁光效应,具有集成化、高隔离度、可调谐、工作条件适宜的特点,适用于连续高功率太赫兹源保护、太赫兹传感等应用场景,为实现集成小型化太赫兹系统奠定了器件基础。


      该研究工作得到了科技部重点研发计划项目(2019YFB2203102)、国家自然基金(61927817, 61735006, 61905007)等项目的资助。华中科技大学张新亮教授、北京航空航天大学吴晓君副教授为论文共同通讯作者,华中科技大学博士生袁世兴为论文第一作者。华中科技大学余宇教授、张驰教授、陈燎讲师、博士生王紫薇、邓文韬、侯智博为共同作者参与研究工作。

Shixing Yuan, Liao Chen, Ziwei Wang, Wentao Deng, Zhibo Hou, Chi Zhang, Yu Yu, Xiaojun Wu*, and Xinliang Zhang*. On-chip terahertz isolator with ultrahigh isolation ratios. Nature Communications, 12, 5570 (2021).
 
https://www.nature.com/articles/s41467-021-25881-0