单颗芯片，集成了完整太赫兹系统

太赫兹属于高频电磁波，处在红外光与微波之间，是电磁波频谱中尚未充分开发利用的频段。研究人员很早就发现了它独特的应用潜力，可用于超高速无线通信、安检扫描、遥感探测与医学成像等领域。

当下各类设备不断向着更高工作频率、更大传输带宽迭代，基于光子学的太赫兹系统借助高速光信号产生、处理太赫兹波，对比传统纯电子方案具备带宽、能效双重优势，成为极具发展前景的替代路线。但目前主流太赫兹光电系统（依靠电控光实现工作的电子光学设备）体积庞大、结构复杂，难以量产普及。这类系统一般由激光器、放大器、调制器、信号源、探测器等大量分立器件搭建而成，每一个部件都要单独制造、光路校准、线路互连，仅能在专业实验室环境中使用，无法落地规模化场景。

如今，加州大学洛杉矶分校（UCLA）牵头的研究团队研发出一套方案，将全部核心功能集成至单块半导体芯片，且能够适配现有成熟光子工艺。这项突破性成果发表于《Nature Communications》，为小型化、可量产的太赫兹设备奠定基础，可支撑下一代通信、成像、传感产业落地。

基于增益增强带间光混频技术的芯片级太赫兹辐射源，可实现高效率太赫兹信号生成。

研究团队来自加州大学洛杉矶分校萨穆里工程学院，他们让太赫兹信号发射与探测工艺兼容光子集成电路，找到了将实验室级大型太赫兹系统压缩为小型可量产芯片的实现路径。这一变革，如同当年电子集成电路把冰箱大小的计算机浓缩为现代微处理器。

基于量子阱PIN光子集成工艺的单芯片太赫兹相控阵收发器示意图，适用于自适应高光谱遥感与通信。

“传统太赫兹光电设备体积笨重、成本高昂、功耗巨大，很难大范围商用。”论文通讯负责人Mona Jarrahi教授表示，她任职于该校电气与计算机工程系，同时是萨穆里工程学院诺格冠名讲席教授。“我们证实，依托成熟工业标准制造平台，可把多项太赫兹核心功能集成在单颗芯片上。该研究为实用化、可规模化的太赫兹技术打通落地通道，真正赋能各类现实场景。”

此前业内研发单芯片光电太赫兹系统，大多采用特种材料与特殊制程，无法和通用光子芯片工艺兼容。本次团队的核心突破聚焦量子阱半导体结构：这种由超薄材料层堆叠而成的人工结构可精准调控光场，经特殊优化后，能在同一芯片平台上同步完成太赫兹波的产生、探测、调制与信号放大。

量子阱早已大规模应用于光子集成电路。本研究的核心创新是验证该结构可通过增益增强带间光混频技术实现太赫兹信号收发：两束激光发生混频，就能生成指定频率的太赫兹信号。

研究团队将量子阱衬底集成进光子集成电路，对比现有基于光混频、光干涉的太赫兹方案，实现了更高效率的太赫兹发射，以及灵敏度大幅提升的太赫兹探测。