为6G和超快光谱铺路，《Nature Communications》发布新型太赫兹光芯片，实现多通道信号操纵

引言

近日，瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zürich）量子电子学研究所的Valerio Digiorgio、Giacomo Scalari等研究人员在《Nature Communications》上发表了一项突破性研究：他们成功研制出全球首款基于“逆向设计”方法的太赫兹有源波分复用器（WDM），该器件可集成在芯片上，实现对太赫兹频率信号的高效分路与放大。

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62557-5

核心内容

波分复用器（WDM）是实现并行信号传输的核心器件，能像分拣快递一样将不同频率的信号分配到对应通道。但在太赫兹高频段，传统设计面临损耗大、体积难缩小等问题。该团队通过两项关键技术突破解决了这些痛点： 

 超紧凑逆向设计拓扑优化

团队借助SPINS软件的梯度优化算法，在200μm×200μm的微小区域内（归一化体积V/λ³≈0.5），精准调控GaAs（折射率≈3.6）和BCB聚合物（折射率≈1.57）的空间分布，让2.23.2THz频段的太赫兹波“各走其道”，最终分出3个330GHz带宽的输出端口。这种设计将光通信领域的逆向设计技术拓展到太赫兹波段，体积较传统器件大幅缩小。 

 有源增益补偿损耗

器件嵌入量子级联异质结构作为增益介质，可主动补偿金属波导的严重损耗（太赫兹波段金属损耗可达40dB/cm）。实验显示，通过独立偏置调节，WDM能实现3.5倍（5.4dB）的信号放大，且在39V电压范围内灵活切换“损耗模式”和“放大模式”。 

 高性能实测表现

与太赫兹量子级联激光器（QCL）频率梳耦合后，该WDM输出信号覆盖2.653.30THz频段，最大串扰仅6dB（串扰越低信号越纯净），且通过集成贴片阵列天线实现稳定表面发射。SWIFTS光谱技术验证显示，输出信号保持了激光的相位相干性，在250GHz带宽内实现稳定频率梳工作。

研究意义

这项技术标志着太赫兹集成电路向前迈出关键一步： 

1.解决了高频损耗难题：太赫兹信号在传输中损耗极大（约40 dB/cm），而有源设计能实时补偿损失，提升信号完整性；

2.实现高密度集成：逆向设计使得器件尺寸远小于传统波长尺度，为多功能THz芯片打下基础；

3.兼容性强：可与硅光子平台结合，未来可扩展用于6G通信、超高分辨率成像、光谱分析和量子信息处理等领域。

结语

如果说太赫兹频段是电磁谱中“最后的边疆”，那么这项研究就像是第一批修进这片边疆的高速公路。它不仅展示了逆向设计在太赫兹光子中的巨大潜力，也为我们未来进入“太赫兹时代”提供了实实在在的器件支撑。或许不久的将来，我们的手机、卫星、甚至医疗成像设备中，就会用上这样的太赫兹集成芯片。

图1;逆向设计优化

图2:器件结构与模拟

图3:QCL与WDM输出信号的光谱测量

图4:实验与模拟传输结果对比

图5:电输运特性与功率测量

图6:电拍频与移波干涉傅里叶变换光谱（SWIFTS）测量

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