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

獎項(xiàng)：2023年度上海市技術(shù)發(fā)明獎一等獎

獲獎團(tuán)隊(duì)：中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所曹俊誠團(tuán)隊(duì)

“十年前，一塊性能普通的太赫茲芯片，國外企業(yè)向我們開價5萬歐元。現(xiàn)在，我們可以自己造，成本只有當(dāng)年國外的十分之一，而且功能更強(qiáng)大?！睘榱诉@一天，中國科學(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)生和探測十分困難，人們將這個可能改變未來世界卻難以開發(fā)的頻段稱為“太赫茲空隙”。領(lǐng)域全新、經(jīng)驗(yàn)全無、材料匱缺，曹俊誠團(tuán)隊(duì)從基礎(chǔ)入手，不僅開發(fā)出體積小、壽命長、性能好、用處廣的太赫茲芯片及激光器，還使其在十多個行業(yè)中小試牛刀。

今天（10月23日）舉行的全市科技大會暨科學(xué)技術(shù)獎勵大會上，曹俊誠團(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)明獎一等獎。

曹俊誠（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，不會對有機(jī)組織產(chǎn)生電離破壞，更有利于生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用?！闭f起太赫茲的優(yōu)點(diǎn)，曹俊誠眼神閃亮：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)生和檢測的方法。上世紀(jì)90年代，太赫茲領(lǐng)域的這個關(guān)隘一直難以突破，相關(guān)輻射源的光電轉(zhuǎn)換效率徘徊在萬分之幾。本世紀(jì)初，針對缺乏高品質(zhì)太赫茲光源和國產(chǎn)器件這一痛點(diǎn)，曾師從我國凝聚態(tài)物理學(xué)泰斗、中國科學(xué)院院士雷嘯霖的曹俊誠，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。

自那時起，刻苦工作，挑燈夜戰(zhàn)，成了曹俊誠科研工作的常態(tài)。為鉆研相關(guān)理論和技術(shù)，他多次前往加拿大、美國、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‘跳躍’到低能級時，電子就會釋放出太赫茲光子，形成太赫茲輻射?！辈芸≌\說，他們設(shè)計(jì)出了獨(dú)特的量子阱“臺階”， 就好像修建一座200多級的水庫，讓“電子瀑布”在跌落過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)過上多層的原子級精度的材料生長， “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，其整體起伏不會超過4毫米。”曹俊誠頗為自豪地說，經(jīng)過多年迭代，他們研制的太赫茲芯片效率較之過去提升了200倍，輸出功率已達(dá)瓦級以上，工作溫度也從過去零下近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秒成像百萬幀

在位于中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)所的集成電路材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，記者見到了全國產(chǎn)的太赫茲半導(dǎo)體激光器——芯片只有半個一元硬幣大小，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外同類產(chǎn)品的3倍。”曹俊誠介紹，激光器工作穩(wěn)定可靠，使用十年也沒問題。

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。曹俊誠說，團(tuán)隊(duì)在核心器件基礎(chǔ)上，開發(fā)出了太赫茲實(shí)時成像儀、近場顯微成像儀等一系列設(shè)備。

由于將太赫茲光電探測響應(yīng)時間縮短到了亞納秒量級，他們研制的太赫茲高速探測芯片能實(shí)現(xiàn)每秒百萬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)庫伯對解耦等過去快到難以看清的超快過程，為未來自然探索推開一扇新的觀測窗口。

此外，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的低功耗太赫茲激光器作為本振源，可用于探測來自宇宙深處的微弱太赫茲頻段信號?！疤掌澕夹g(shù)在衛(wèi)星通訊上的應(yīng)用前景更為誘人，它可以在極短時間內(nèi)完成海量數(shù)據(jù)傳輸?！辈芸≌\透露，他們開發(fā)的相關(guān)技術(shù)及模塊化產(chǎn)品已在國內(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)、中國科學(xué)院紫金山天文臺等。這些技術(shù)和產(chǎn)品如同未來產(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。