太赫兹（THz）频段（0.1–10 THz）被认为是6G通信、高精度光谱和传感的关键资源。然而，THz波的实用化长期受困于一个基础问题：缺少既灵敏又皮实、还能与现有光纤通信系统兼容的探测器。

传统的自由空间电光采样（EO sampling）依赖ZnTe、GaP等体块晶体，需要在特定波长下实现相位匹配，且通常要求THz光束被紧聚焦到衍射极限。一旦THz光斑较大或偏离中心，信号转化效率就急剧下降。另一方面，集成了天线的芯片级探测器虽然能增强局域场，但此前采用有机电光材料或硅基等平台，往往面临高传播损耗、双光子吸收严重等瓶颈，很难将多个天线串联成大面积阵列。

最近，洛桑联邦理工学院（EPFL）和哈佛大学的研究团队在《Light: Science & Applications》上发表了一项工作，给出了一条非常扎实的解决路径：在薄膜铌酸锂（TFLN）平台上，用18个领结天线构成双阵列，通过准相位匹配机制实现窄带、高抑制比的相干THz探测，并首次展示了利用同一器件重建THz光斑二维轮廓的能力。

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核心设计：大面积天线阵列 + 准相位匹配

器件的基底是600 nm厚的X切薄膜铌酸锂，键合在500 μm高阻硅衬底上。光波导采用脊形结构，宽度1.5 μm，刻蚀深度300 nm。整个光学结构是一个马赫‑曾德尔干涉仪（MZI），光路分两臂，每臂上各集成9个领结天线，天线间隙3.3 μm，填充SiO₂作为包层。

这里的亮点在于：天线不是简单地堆叠，而是通过精确控制间距实现“准相位匹配”。传统的准相位匹配通常需要周期性极化晶体（PPLN），但在THz与光频段之间做周期极化非常困难。该团队利用天线的周期性排布，使光波导中的探针光在经过每根天线时，正好落在THz近场的同一相位点上。

设天线间距为 D1D1​，探针光的群折射率为 ngng​，则两次天线相遇的时间间隔 Δt1=ngD1/cΔt1​=ng​D1​/c。当入射THz频率 ff 满足 f⋅Δt1=1f⋅Δt1​=1 时，探针光每次都能感受到相同方向的THz电场，相位调制线性叠加。这被称为 “天线驱动的准相位匹配”。

更巧妙的是，MZI的上下两臂天线阵列错开 D2=D1/2D2​=D1​/2，导致下臂探针光正好在THz场的负半周经过天线，获得相反符号的调制。最终输出端的光强变化 ΔIout∝Δϕupper−ΔϕlowerΔIout​∝Δϕupper−Δϕlower，实现了“推‑拉”式的增强。

【配图2】 论文 图2a（天线间隙的THz电场分布模拟）

图2 | 单个天线间隙的THz电场增强。 模拟显示电场沿整个间隙分布均匀，中心区域场增强约30倍，边缘区域可达60倍。来源：论文原文

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性能数据：窄带响应、高抑制比

实验采用THz时域光谱系统，探针光波长为1560 nm（光纤通信C波段），锁相到飞秒激光器。THz脉冲由光导天线（PCA）激发，经离轴抛物面镜准直并聚焦到芯片背面（THz垂直入射）。

测试结果显示：

• 中心频率 fPMfPM​ = 487 GHz，与设计值吻合。

• 3‑dB带宽仅46 GHz，相对带宽约8.2%。

• 对于双臂均集成天线的完整器件，输出频谱中偶次谐波（如2fPMfPM​）被显著抑制，与理论模型完全一致。

• 与单臂照射相比，双臂照射下主峰信号幅度提高约一倍，且实验波形与解析模型（公式2）高度吻合。

此外，动态范围测试表明，在300 ms积分时间下，信噪比约为600，对应最小可探测THz场强约 7.5 mV/cm。这虽然不是创纪录的灵敏度，但考虑到器件工作在室温、无需复杂偏置、且收集面积远大于传统单天线探测器，这一数值已非常实用。

【配图3】 论文 图2g（单臂与双臂照明的功率谱对比）

图3 | 频谱响应对比。 蓝色为双臂全照明，红色为单臂照明。双臂配置在487 GHz处峰值更高，且偶数阶谐波（如~974 GHz）被有效抑制。黑虚线为解析模型结果。来源：论文原文

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抗失调能力与光束轮廓重建

研究人员特意测试了器件在离轴、离焦条件下的表现。将THz光斑沿垂直方向（y轴）移动，即使光斑只覆盖部分天线，主峰频率仍稳定在487 GHz附近（偏差<6 GHz）。当THz光斑从边缘移动到中心，波形包络变得更对称且持续时间更长，反映出被激发的天线数量增加。

更有趣的是，由于单根天线的品质因子较低（共振频率约360 GHz，与相位匹配频率不同），其响应在几个周期内迅速衰减。因此，探针光经过每根天线时贡献的时间片段是相对独立的。利用这一特性，研究人员将时间轴按探针光群速度映射为空间位置，成功重建了聚焦THz光斑的二维强度分布。重建结果与传统刀边法测量高度一致。

【配图4】 论文 图3h（重建的THz光斑二维图像）

图4 | 利用天线阵列重建的THz光斑轮廓。 左图为二维强度分布，呈现椭圆形且略有偏心。红色圆圈和蓝色菱形分别为z=0和y=0方向的切面数据，与刀边法测量结果（黑线）吻合良好。来源：论文原文

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离焦测试：阵列长度决定了抗扩散能力

团队还比较了每臂含3对、6对和9对天线的三种器件，将它们分别放在焦平面、离焦5 mm和15 mm的位置。THz光束在空气中扩散，光斑直径从0.7 mm增长到约4.2 mm（5 mm离焦）和10 mm（15 mm离焦）。

实验发现：

• 对于3天线器件，焦平面时光斑已基本覆盖整个阵列，离焦后信号幅度逐渐下降（场强减弱）。

• 对于9天线器件，焦平面时只有部分天线被照亮，离焦5 mm时光斑扩大，更多天线参与贡献，尽管场强下降，但主峰频谱幅度反而有所升高；离焦15 mm时所有天线被均匀照亮，线宽进一步收窄至约40 GHz。

这说明，通过调整天线数量，可以定制器件在不同照明条件下的响应特征，为实际系统中THz光束指向变化提供冗余设计。

【配图5】 论文 图4c, g, n（不同天线数量的时域波形）及对应频谱图

图5 | 离焦响应对比。 左中右分别为3对、6对、9对天线器件在不同离焦距离下的时域波形。天线数量越多，离焦后波形包络拉得越长，但主频仍稳定在487 GHz附近。来源：论文原文

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小结与展望

与现有技术相比，这项工作最核心的突破可以概括为三点：

1. 大面积收集：通过低损耗TFLN平台，集成了18个天线，有效收集面积比单天线提高约100倍。

2. 频率选择性：天线阵列驱动的准相位匹配提供了窄带（46 GHz）和高达40 dB的带外抑制，对通信抗干扰极为有利。

3. 附加功能：利用天线快响应的特性，首次在同一芯片上实现了THz光束的轮廓重建，不增加额外光学元件。

当然，该器件目前仍是一维阵列，要实现实时二维成像需要扩展为面阵。此外，灵敏度仍有提升空间（可结合更长积分时间或改进天线设计）。但不可否认的是，这项工作展示了薄膜铌酸锂作为太赫兹‑光域混合集成平台的巨大潜力——它不再是一个孤立的实验室器件，而是可以直接与1550 nm光纤通信链路对接、室温工作、且对光束对准容差高的实用化探测器。

未来，如果再与片上飞秒光源、高速光电二极管集成，完全有可能形成一个完整、便携的芯片级太赫兹收发系统，用于6G通信、时间飞行测量或高分辨率光谱分析。

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【参考资料】
Alessandro Tomasino et al., Large-area photonic circuits for terahertz detection and beam profiling, Light: Science & Applications, 14, 1 (2026). DOI: 10.1038/s41377-025-02089-1