該成果以Coherent Manipulation of Second-Harmonic Generation via Terahertz-Field Mediated Phonon-Polariton in Zinc Oxide為(wei) 題在線發表於(yu) Nature Communications。

高速信號調製技術是光通信、數據中心、量子計算等前沿領域的核心支撐。近年來，矽基和铌酸鋰基兩(liang) 大技術路線在材料集成、工藝突破與(yu) 應用場景擴展上均取得顯著進展。傳(chuan) 統的矽基電光調製技術基於(yu) 自由載流子等離子色散（FCPD）效應或直流Kerr效應，通過施加電壓調製光的相位或強度。這種方式受限於(yu) 電子驅動頻率、RC延遲、電極設計等因素，調製帶寬難以突破百GHz量級。铌酸鋰基電光調製技術基於(yu) 線性電光效應（Pockels效應），通過外加電場改變晶體(ti) 折射率，進而調控馬赫-曾德爾（MZ）幹涉儀(yi) 兩(liang) 臂間的相位差，實現高速、高線性度的光信號調製。目前已實現數百GHz的信號調製，但受限於(yu) 電極微波與(yu) 光波速度失配等問題，達到THz頻率的高速調製仍麵臨(lin) 挑戰。

近年來，團隊在科技部重點研發專(zhuan) 項“超快強激光泵浦強太赫茲(zi) 源驅動材料與(yu) 器件非平衡態研究”支持下，在“羲和”等強激光大科學裝置發展了強場太赫茲(zi) 調控平台與(yu) 技術：實現了基於(yu) 铌酸鋰晶體(ti) 的最強THz脈衝(chong) 源能量紀錄13.9 mJ [Advanced Materials, 35(23): 2208947 (2023)]；發展了國際首個(ge) 超越MeV的太赫茲(zi) 波導電子槍，在指尖尺寸（長度5mm）距離實現最高1.1 MeV的電子能量增益 [Nature Photonics 17, 957–963 (2023)]。團隊針對調控機理及器件研發等目標展開攻關(guan) ，係統研究了寬禁帶半導體(ti) ZnO中聲子極化激元（PhP）的產(chan) 生機製及其調製原理。

PhP是一類由紅外活性光學聲子與(yu) 電磁波強耦合而形成的準粒子，具有方向性強、電場限域能力高等特性，廣泛存在於(yu) 極性晶體(ti) 中，特別活躍於(yu) THz頻段。在自主搭建的超快THz泵浦-探測係統上，通過調控THz場強、偏振、紅外光波長等，成功激發出3~4 THz範圍內(nei) 的PhP。該PhP以THz頻率調控ZnO晶體(ti) 內(nei) 極化反轉，進而激發光波的SHG過程，且產(chan) 生的光學SHG相位以THz頻率變化。這一相位高速調製的光信號與(yu) 晶體(ti) 內(nei) 本征SHG幹涉，可實現光信號強度的THz頻率調製。這種通過調控相位實現信號強度高速調製的機製，可類比於(yu) 铌酸鋰基光信號調製原理，而調製頻率提高了一個(ge) 量級。得益於(yu) ZnO晶體(ti) 中PhP的低損耗、高反射特性，PhP在1mm晶體(ti) 內(nei) 完成九次反射，對SHG信號實現了持續約90ps，消光比約18 dB，頻率3~4THz的高速調製。

這種基於(yu) THz-PhP 驅動的光學SHG產(chan) 生與(yu) 調製過程，構建了一種全新的時頻聯合控製平台。相比傳(chuan) 統非線性調製器，PhP 係統具備兩(liang) 大關(guan) 鍵優(you) 勢：一是工作頻率覆蓋 THz 至中紅外的寬廣頻段，滿足高帶寬應用需求；二是其周期性傳(chuan) 播結構天然適配相幹控製，能夠將 THz 振蕩特征嵌入通信波段光學響應中，適用於(yu) 構建頻率轉換器件。研究構建了“光聲準粒子機製——光脈衝(chong) 調製器”，對THz超高重頻激光的研發具有重要意義(yi) ，並有望作為(wei) THz頻率調製器等核心部件應用於(yu) 超高速光信息通訊領域。