該成果以Coherent Manipulation of Second-Harmonic Generation via Terahertz-Field Mediated Phonon-Polariton in Zinc Oxide為題在線發(fā)表于Nature Communications。

高速信號調制技術是光通信、數(shù)據(jù)中心、量子計算等前沿領域的核心支撐。近年來，硅基和鈮酸鋰基兩大技術路線在材料集成、工藝突破與應用場景擴展上均取得顯著進展。傳統(tǒng)的硅基電光調制技術基于自由載流子等離子色散（FCPD）效應或直流Kerr效應，通過施加電壓調制光的相位或強度。這種方式受限于電子驅動頻率、RC延遲、電極設計等因素，調制帶寬難以突破百GHz量級。鈮酸鋰基電光調制技術基于線性電光效應（Pockels效應），通過外加電場改變晶體折射率，進而調控馬赫-曾德爾（MZ）干涉儀兩臂間的相位差，實現(xiàn)高速、高線性度的光信號調制。目前已實現(xiàn)數(shù)百GHz的信號調制，但受限于電極微波與光波速度失配等問題，達到THz頻率的高速調制仍面臨挑戰(zhàn)。

近年來，團隊在科技部重點研發(fā)專項“超快強激光泵浦強太赫茲源驅動材料與器件非平衡態(tài)研究”支持下，在“羲和”等強激光大科學裝置發(fā)展了強場太赫茲調控平臺與技術：實現(xiàn)了基于鈮酸鋰晶體的最強THz脈沖源能量紀錄13.9 mJ [Advanced Materials, 35(23): 2208947 (2023)]；發(fā)展了國際首個超越MeV的太赫茲波導電子槍，在指尖尺寸（長度5mm）距離實現(xiàn)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(fā)等目標展開攻關，系統(tǒng)研究了寬禁帶半導體ZnO中聲子極化激元（PhP）的產(chǎn)生機制及其調制原理。

PhP是一類由紅外活性光學聲子與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，廣泛存在于極性晶體中，特別活躍于THz頻段。在自主搭建的超快THz泵浦-探測系統(tǒng)上，通過調控THz場強、偏振、紅外光波長等，成功激發(fā)出3~4 THz范圍內(nèi)的PhP。該PhP以THz頻率調控ZnO晶體內(nèi)極化反轉，進而激發(fā)光波的SHG過程，且產(chǎn)生的光學SHG相位以THz頻率變化。這一相位高速調制的光信號與晶體內(nèi)本征SHG干涉，可實現(xiàn)光信號強度的THz頻率調制。這種通過調控相位實現(xiàn)信號強度高速調制的機制，可類比于鈮酸鋰基光信號調制原理，而調制頻率提高了一個量級。得益于ZnO晶體中PhP的低損耗、高反射特性，PhP在1mm晶體內(nèi)完成九次反射，對SHG信號實現(xiàn)了持續(xù)約90ps，消光比約18 dB，頻率3~4THz的高速調制。

這種基于THz-PhP 驅動的光學SHG產(chǎn)生與調制過程，構建了一種全新的時頻聯(lián)合控制平臺。相比傳統(tǒng)非線性調制器，PhP 系統(tǒng)具備兩大關鍵優(yōu)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；二是其周期性傳播結構天然適配相干控制，能夠將 THz 振蕩特征嵌入通信波段光學響應中，適用于構建頻率轉換器件。研究構建了“光聲準粒子機制——光脈沖調制器”，對THz超高重頻激光的研發(fā)具有重要意義，并有望作為THz頻率調制器等核心部件應用于超高速光信息通訊領域。