項(xiàng)目名稱：高性能太赫茲量子級(jí)聯(lián)激光器及儀器關(guān)鍵技術(shù)

獎(jiǎng)項(xiàng)：2023年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)

獲獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)：中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所曹俊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)

“十年前，一塊性能普通的太赫茲芯片，國(guó)外企業(yè)向我們開(kāi)價(jià)5萬(wàn)歐元?，F(xiàn)在，我們可以自己造，成本只有當(dāng)年國(guó)外的十分之一，而且功能更強(qiáng)大?！睘榱诉@一天，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員曹俊誠(chéng)帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，孜孜不倦努力了20多年。

由于太赫茲頻段的電磁波產(chǎn)生和探測(cè)十分困難，人們將這個(gè)可能改變未來(lái)世界卻難以開(kāi)發(fā)的頻段稱為“太赫茲空隙”。領(lǐng)域全新、經(jīng)驗(yàn)全無(wú)、材料匱缺，曹俊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)入手，不僅開(kāi)發(fā)出體積小、壽命長(zhǎng)、性能好、用處廣的太赫茲芯片及激光器，還使其在十多個(gè)行業(yè)中小試牛刀。

今天（10月23日）舉行的全市科技大會(huì)暨科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)勵(lì)大會(huì)上，曹俊誠(chéng)團(tuán)隊(duì)因填補(bǔ)“太赫茲空隙”而獲得2023年度上海市技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。

曹俊誠(chéng)（右）指導(dǎo)學(xué)生做實(shí)驗(yàn)

“電子瀑布”效率提升200倍

太赫茲，一種介于紅外光與微波之間的電磁波，波長(zhǎng)范圍在30微米至3毫米之間。

“與紅外光相比，它能穿透比皮夾克還厚的阻擋，清晰成像；與微波相比，它的信道數(shù)更多，可傳輸巨量信息。與X射線相比，它的光子能量小，不會(huì)對(duì)有機(jī)組織產(chǎn)生電離破壞，更有利于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。”說(shuō)起太赫茲的優(yōu)點(diǎn)，曹俊誠(chéng)眼神閃亮：它在物理學(xué)、材料科學(xué)、醫(yī)學(xué)成像、射電天文、雷達(dá)、寬帶和保密通信，尤其是衛(wèi)星間通訊上，都具有重大應(yīng)用前景，“被列為改變未來(lái)世界的十大技術(shù)之一”。

研究一種電磁波，首先要掌握其輻射產(chǎn)生和檢測(cè)的方法。上世紀(jì)90年代，太赫茲領(lǐng)域的這個(gè)關(guān)隘一直難以突破，相關(guān)輻射源的光電轉(zhuǎn)換效率徘徊在萬(wàn)分之幾。本世紀(jì)初，針對(duì)缺乏高品質(zhì)太赫茲光源和國(guó)產(chǎn)器件這一痛點(diǎn)，曾師從我國(guó)凝聚態(tài)物理學(xué)泰斗、中國(guó)科學(xué)院院士雷嘯霖的曹俊誠(chéng)，憑借自己在低維半導(dǎo)體器件和物理研究上的扎實(shí)基礎(chǔ)，決定挑戰(zhàn)這一難題。

自那時(shí)起，刻苦工作，挑燈夜戰(zhàn)，成了曹俊誠(chéng)科研工作的常態(tài)。為鉆研相關(guān)理論和技術(shù)，他多次前往加拿大、美國(guó)、澳大利亞、日本訪學(xué)。終于，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)從源頭上取得了突破。

“當(dāng)電子從高能級(jí)‘跳躍’到低能級(jí)時(shí)，電子就會(huì)釋放出太赫茲光子，形成太赫茲輻射?！辈芸≌\(chéng)說(shuō)，他們?cè)O(shè)計(jì)出了獨(dú)特的量子阱“臺(tái)階”， 就好像修建一座200多級(jí)的水庫(kù)，讓“電子瀑布”在跌落過(guò)程中均衡釋放出太赫茲光。

原理突破難，材料和器件實(shí)現(xiàn)更難。構(gòu)建這座 “電子瀑布”，要經(jīng)過(guò)上多層的原子級(jí)精度的材料生長(zhǎng)， “如果用我們的技術(shù)去建造1300多公里的京滬高鐵，不考慮地球曲率情況下，其整體起伏不會(huì)超過(guò)4毫米?！辈芸≌\(chéng)頗為自豪地說(shuō)，經(jīng)過(guò)多年迭代，他們研制的太赫茲芯片效率較之過(guò)去提升了200倍，輸出功率已達(dá)瓦級(jí)以上，工作溫度也從過(guò)去零下近200℃，提升到零下70℃左右，大大方便了器件的推廣應(yīng)用。

半枚硬幣大小，1秒成像百萬(wàn)幀

在位于中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)所的集成電路材料全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，記者見(jiàn)到了全國(guó)產(chǎn)的太赫茲半導(dǎo)體激光器——芯片只有半個(gè)一元硬幣大小，封裝成的激光器可以托在掌心。

“我們將激光器功率提升到了瓦級(jí)水平，輻射的太赫茲光更加準(zhǔn)直，發(fā)散角從17度降低至2.4度，模塊化的激光器輸出功率為國(guó)外同類產(chǎn)品的3倍?！辈芸≌\(chéng)介紹，激光器工作穩(wěn)定可靠，使用十年也沒(méi)問(wèn)題。

不僅如此，模塊化的太赫茲發(fā)射源使用很方便，可以做到即插即用。曹俊誠(chéng)說(shuō)，團(tuán)隊(duì)在核心器件基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)出了太赫茲實(shí)時(shí)成像儀、近場(chǎng)顯微成像儀等一系列設(shè)備。

由于將太赫茲光電探測(cè)響應(yīng)時(shí)間縮短到了亞納秒量級(jí)，他們研制的太赫茲高速探測(cè)芯片能實(shí)現(xiàn)每秒百萬(wàn)幀的太赫茲快速成像——這部高速“攝影機(jī)”有望分辨諸如超導(dǎo)庫(kù)伯對(duì)解耦等過(guò)去快到難以看清的超快過(guò)程，為未來(lái)自然探索推開(kāi)一扇新的觀測(cè)窗口。

此外，團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的低功耗太赫茲激光器作為本振源，可用于探測(cè)來(lái)自宇宙深處的微弱太赫茲頻段信號(hào)。“太赫茲技術(shù)在衛(wèi)星通訊上的應(yīng)用前景更為誘人，它可以在極短時(shí)間內(nèi)完成海量數(shù)據(jù)傳輸?！辈芸≌\(chéng)透露，他們開(kāi)發(fā)的相關(guān)技術(shù)及模塊化產(chǎn)品已在國(guó)內(nèi)外20多家單位使用，其中包括澳大利亞伍倫貢大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)等。這些技術(shù)和產(chǎn)品如同未來(lái)產(chǎn)業(yè)的種子，將生發(fā)出太赫茲技術(shù)更為深廣的行業(yè)應(yīng)用，使其發(fā)揮出改變世界的潛能。