亞皮秒太赫茲電磁輻射脈沖的自由空間電光采樣，對于時域太赫茲光譜、時域太赫茲成像、光子時間拉伸測量、近場太赫茲顯微鏡以及時域太赫茲量子光學非常重要。這些測量模式需要具有0.1~10 THz帶寬的電光探測方案，太赫茲光譜和成像的探測閾值為~ 1 V/cm，加速器和非線性太赫茲光譜縱向電子束長度測量的動態(tài)范圍為~ MV/cm。射頻（RF）、毫米波和太赫茲頻率電場的電光測量在加速器電子束診斷、等離子體物理學、生物醫(yī)學傳感、激光雷達、微波集成電路以及天線表征等領域也是不可或缺的。

線性電光（EO）效應發(fā)生在非中心對稱晶體中，外加電場改變材料的折射率，產(chǎn)生偏振和相位調(diào)制，也稱為波克爾斯效應（Pockels effect）。EO效應可在瞬間有效發(fā)生，從而實現(xiàn)高時間分辨率。此外，全介質(zhì)EO傳感器產(chǎn)生的采樣電場失真可忽略不計。通過與自由傳播單周期亞皮秒太赫茲輻射脈沖或瞬態(tài)電場時間同步的飛秒（fs）近紅外（NIR）激光脈沖，探測太赫茲頻率電場引起的EO晶體折射率變化。其靈敏度取決于EO晶體的波克爾斯系數(shù)、太赫茲波和近紅外波在EO晶體中傳播速度的匹配，以及它們之間的相互作用長度。

鈮酸鋰（LN）具有較大的電光材料系數(shù)，對可見光和近紅外波（0.4-5 μm）具有高透明度，對射頻、毫米波和太赫茲波（< 10 THz）具有低吸收，是一種用于高頻電場傳感的多功能材料。由絕緣體上薄膜鈮酸鋰（LNOI）制成的緊密約束LN波導，為速度匹配、色散工程以及準相位匹配工程提供了前所未有的可能性。使用薄膜鈮酸鋰平臺的突破性概念驗證包括高速EO調(diào)制器、EO頻率梳發(fā)生器以及最近的太赫茲波形合成。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，美國倫斯勒理工學院（Rensselaer Polytechnic Institute）的研究人員近期報道了一種薄膜鈮酸鋰電光太赫茲探測器，利用在LNOI中制造的集成光路（PIC），對自由傳播太赫茲輻射脈沖進行了時間分辨EO檢測。該EO太赫茲波探測器設計方案創(chuàng)新性地利用并整合了LNOI材料科學、集成光路微加工以及商業(yè)通信波長光纖等領域的進展。作為概念驗證，研究人員設計、制造并表征了一種獨創(chuàng)的薄膜LNOI電光探測器芯片。并利用該原型器件，對自由傳播的頻率高達800 GHz的亞皮秒太赫茲輻射脈沖電場進行了有效的相敏檢測。

薄膜LNOI電光太赫茲傳感器設計

最先進的太赫茲頻率電場EO檢測利用的是塊體EO晶體。探測器的靈敏度和帶寬受限于EO晶體內(nèi)近紅外和太赫茲電場之間的相位失配（與折射率失配直接相關）。LN是一種EO晶體，具有很強的線性EO調(diào)制。塊體LN晶體在太赫茲和亞太赫茲頻率下表現(xiàn)出不利的高相位失配，因此當用于檢測自由傳播的太赫茲輻射脈沖時，信噪比（SNR）很低。塊體LN晶體電場靈敏度低至1 Vm?1 √Hz已得到證實，但由于固有的相位失配特性，LN EO探測器的帶寬受到了限制。對于100 GHz以上頻率的EO采樣，ZnTe和GaP可提供大得多的帶寬，但其靈敏度卻因EO系數(shù)低于LN而受到限制。

與最先進的技術(shù)相比，LN由于電光系數(shù)大得多，因而在電場電光探測方面優(yōu)于ZnTe和GaP。重要的是，薄膜LNOI可通過適當?shù)墓獠▽гO計實現(xiàn)太赫茲波信號和近紅外波的完美相位匹配。此外，通過使用保偏光纖引導和耦合激光光束進出探測器，大大簡化了激光探測光束與EO THz探測器之間有效而穩(wěn)定的空間對準。由于集成光路取代了多個分立光學元件（以及它們的機械支架和固定裝置），因此EO THz探測器的尺寸和重量大大減小。未來，薄膜LNOI探測器芯片經(jīng)濟高效的晶圓級生產(chǎn)是可以預見的。

太赫茲輻射脈沖產(chǎn)生以及太赫茲波電光探測器測試的實驗設置

研究人員利用薄膜鈮酸鋰光波導實現(xiàn)了一種概念驗證器件，并形成了一個馬赫-澤恩德干涉儀，干涉儀臂的電極化方向相反。無需使用天線或等離子體，太赫茲波就能從自由空間有效地耦合到全介質(zhì)器件。該研究成功演示了對頻率高達800 GHz太赫茲波的探測。其探測器可以探測頻率高達4.6 MV/m的太赫茲電場，觀測到的器件頻率響應與理論預測非常吻合。

審核編輯：黃飛