太赫兹波与声学调制:数据链的“奇偶”?

文章作者:Bill Schweber

在太赫兹频段的电磁能量——名义上是300千兆赫兹/0.3太赫兹到10太赫兹，尽管有些人认为从100千兆赫兹/0.1太赫兹开始——呈现出了一个技术难题。一方面，这个跨度的巨大宽度意味着它有潜力支持极高的数据速率以及一些迷人的传感和扫描仪器。另一方面，太赫兹波存在于RF频谱和光学世界之间的“EM沙漠”中。不过，太赫兹波的诱惑相当强烈。它很大程度上是未经探索和不受限制的频段，这增加了它的吸引力。

为了数据链接的目的，射频频谱，在几十GHz，可以管理与先进的固态和真空管设备，支持专门的同轴电缆和波导。光学世界可以用许多不同的激光器、led和光电探测器来管理。但是产生太赫兹波很困难，通常使用量子级联激光器(QCL)来完成，而调制太赫兹波作为数据链路就更难了。(这两个参考文献最后，两者都来自IEEE频谱，对太赫兹波段应用的可行性提出了非常不同的观点。)

不过，这种情况可能正在改变。来自英国利兹大学和诺丁汉大学的一个合作团队最近的一个项目和论文不仅提供了太赫兹波的产生的见解，而且还演示了他们如何利用声波、非电磁波能量来调制这些波。

看起来在声屋檐和太赫兹波之间似乎不存在联系。太赫兹波不仅在频率上有许多数量级的不同，而且太赫兹波是一种电磁能量，可以存在于真空中，而声波不是电磁，需要一种有形的介质来传播。然而，该团队能够巧妙地利用声波能量来影响来自激光的太赫兹波。

在非常简单的情况下，会发生这样的事情:一个电子通过量子级联激光器的光学元件，在此过程中，它会经过一系列的“量子阱”。在这些阱中，电子的能量水平下降，一个光子脉冲被发射出来，一个电子能够以稳定的连续波(CW)流的形式发射多个光子。

在实验装置中实现调制，如图1在美国，研究人员集中声波能量来振动量子级联激光器内部的量子阱。量子级联激光器安装在一个工作温度为15K的光学低温恒温器的冷手指上。这里，“声波能量”并不意味着他们将扬声器对准激光源。相反，他们利用来自另一个激光脉冲的冲击来产生声波，在一个铝膜声换能器上诱导一个光产生的皮秒宽的应变脉冲。这个应变脉冲反过来导致薄膜膨胀和收缩，从而通过量子级联激光器发送机械波，机械波建立了调制。

图1这个实验装置(a)用激光产生的皮秒声脉冲测量了THz量子级联激光(QCL)装置的光学和电子扰动。QCL器件结构的示意图(b)显示了传输(实红线)和反射(虚线)的应变脉冲。

团队领导者托尼·肯特教授这样描述这个实验:“基本上，我们所做的就是用声波来震动量子级联激光器内部复杂的电子态。我们可以看到它的太赫兹光输出被声波改变了。这一结果为物理学和工程学探索太赫兹声波和光波的相互作用开辟了一个新的领域，这可能具有真正的技术应用。”

在你认为“问题解决了”之前，需要注意的是，他们获得的最大调制深度相对较低，约为6%。这距离一个可行的通信链路所需的调制深度的数十倍还有很长的路要走，尽管如此，在太赫兹频段运行的数据速率有望达到100千兆每秒，这是一个真正令人印象深刻(也可能是可怕的)的可能性。

这一进展是研究道路上更成功的早期一步，还是进一步的结果将被主要障碍所阻碍——好吧，现在说还为时过早。但这是一个有趣的例子，说明了两种完全不同的波能表现形式——这里是太赫兹区域的EM能量，以及高频的脉冲声能——如何能够共同工作，从而得到一个有趣的，但可能无法得到的结果。

他们可读的论文"相干声子脉冲高速调制太赫兹量子级联激光器发表于自然通讯(pdf版本是在这里)。有趣的是，大多数这些学术论文，HTML版本也有一个链接到补充信息。这种类型的文件通常有关于配置、BOM、使用的材料及其准备、面临的问题和克服的问题、测试安排的细节，等等的额外细节。

然而，本文的补充信息却截然不同:无论是偶然的还是有意的，都没有这方面的内容。相反，它有13页的评论，建议，和来自这篇论文的同行审稿人的问题，以及论文作者的回答。读这些书很有趣!

你曾经参与过这样一个项目吗?在这个项目中，两种截然不同的技术，一开始似乎没有什么联系，但实际上却以互补的方式结合在一起，以实现一个更大的目标?