集成光學是一種用來製作集成光學器件、光子集成回路或者平麵光波回路的技術，其中集成光源、分束器、調製器、高約束波導等集成光學器件的應用，有效提高了光信號處理的效率。越來越多的科研人員把目光轉向集成中紅外和太赫茲(zi) 光子學在通信和傳(chuan) 感領域的研究。在太赫茲(zi) 頻率範圍內(nei) ，太赫茲(zi) 量子級聯激光器逐漸成為(wei) 集成半導體(ti) 梳狀光源的絕佳選擇。傳(chuan) 統的太赫茲(zi) 集成係統包括混合等離子體(ti) 波導、耦合腔器件、集成太赫茲(zi) 收發器以及一些矽基集成器件。

近期，蘇黎世聯邦理工學院的Giacomo Scalari教授和Urban Senica博士帶領的研究團隊基於(yu) 集成在低損耗聚合物平麵化的雙金屬、高約束波導布局中的有源和無源元件，成功研發出一種新型集成太赫茲(zi) 量子級聯激光器，該成果以“Planarized THz quantum cascade lasers for broadband coherent photonics”為(wei) 題發表在Light: Science & Applications上。

新型集成太赫茲(zi) 光子學平台示意圖

在複雜的集成光學係統中，激光集成的關(guan) 鍵特性在於(yu) 降低了電消耗，從(cong) 而降低了注入電流，並有效地耦合到低損耗無源波導。研究團隊所提出的集成光子平台，能夠利用無源器件進行信號傳(chuan) 播，並為(wei) 寬帶傳(chuan) 感和電子通信等應用提供相幹集成光源。他們(men) 利用一個(ge) 公共金屬接地層來演示在同一半導體(ti) 平台上集成多個(ge) 有源和無源太赫茲(zi) 光子器件，從(cong) 而在太赫茲(zi) 頻率下實現高效的信號處理。

在實驗中，研究人員致力於(yu) 寬帶器件和頻梳器件，突出了色散、射頻、熱性能等多個(ge) 關(guan) 鍵品質因數的改進，在同一光子芯片上實現了有源器件和無源器件的集成。器件整體(ti) 是基於(yu) 一個(ge) 高性能的光滑雙金屬波導，這種波導早已在太赫茲(zi) 和微波領域被證明非常有效。

研究團隊表示，橫向模式的控製對於(yu) 獲得規則的梳頻譜至關(guan) 重要。由於(yu) 波導損耗增加，側(ce) 麵吸收體(ti) 的引入減輕了高階橫模中的激光發射。通過將激光器脊的橫向尺寸減小到50μm及以下，可以獲得類似的結果。然而，對於(yu) 傳(chuan) 統的雙金屬脊而言，由於(yu) 波導通常通過直接在頂部金屬包層上的引線鍵合來接觸，因此寬度不能任意小。這種情況限製了有效脊的寬度和接合線貼片的尺寸，使得脊尺寸在50μm及以下的器件難以接觸並且容易失效。而且，直接在有源區上結合會(hui) 引入缺陷，增加波導損耗，有損害器件的長期性能及其光譜特性的風險。

但在該團隊設計的集成光學平台中，這些問題都已經被解決(jue) 。他們(men) 將接合線放置在無源、苯並環丁烯覆蓋區域上方的金屬頂部，有效避免了在有源區頂部形成任何缺陷，並且能夠製造非常窄的波導，遠低於(yu) 接合線尺寸。窄波導寬度可以用作基本橫向激光模式的有效選擇機製，並且也有利於(yu) 散熱和高溫連續波操作。

DOI: 10.1038/s41377-022-01058-2