項目名稱：高性能太赫茲量子級聯激光器及儀器關鍵技術
獎項：2023年度上海市技術發明獎一等獎
獲獎團隊：中國科學院上海微系統與信息技術研究所曹俊誠團隊
“十年前，一塊性能普通的太赫茲芯片，國外企業向我們開價5萬歐元。現在，我們可以自己造，成本只有當年國外的十分之一，而且功能更強大。”為了這一天，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員曹俊誠帶領團隊，孜孜不倦努力了20多年。
由于太赫茲頻段的電磁波產生和探測十分困難，人們將這個可能改變未來世界卻難以開發的頻段稱為“太赫茲空隙”。領域全新、經驗全無、材料匱缺，曹俊誠團隊從基礎入手，不僅開發出體積小、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中小試牛刀。
今天（10月23日）舉行的全市科技大會暨科學技術獎勵大會上，曹俊誠團隊因填補“太赫茲空隙”而獲得2023年度上海市技術發明獎一等獎。
曹俊誠（右）指導學生做實驗
“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，不會對有機組織產生電離破壞，更有利于生物醫學應用。”說起太赫茲的優點，曹俊誠眼神閃亮：它在物理學、材料科學、醫學成像、射電天文、雷達、寬帶和保密通信，尤其是衛星間通訊上，都具有重大應用前景，“被列為改變未來世界的十大技術之一”。
研究一種電磁波，首先要掌握其輻射產生和檢測的方法。上世紀90年代，太赫茲領域的這個關隘一直難以突破，相關輻射源的光電轉換效率徘徊在萬分之幾。本世紀初，針對缺乏高品質太赫茲光源和國產器件這一痛點，曾師從我國凝聚態物理學泰斗、中國科學院院士雷嘯霖的曹俊誠，憑借自己在低維半導體器件和物理研究上的扎實基礎，決定挑戰這一難題。
自那時起，刻苦工作，挑燈夜戰，成了曹俊誠科研工作的常態。為鉆研相關理論和技術，他多次前往加拿大、美國、澳大利亞、日本訪學。終于，他帶領團隊從源頭上取得了突破。
“當電子從高能級‘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。”曹俊誠說，他們設計出了獨特的量子阱“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，材料和器件實現更難。構建這座 “電子瀑布”，要經過上多層的原子級精度的材料生長， “如果用我們的技術去建造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用。
半枚硬幣大小，1秒成像百萬幀
在位于中國科學院上海微系統所的集成電路材料全國重點實驗室，記者見到了全國產的太赫茲半導體激光器——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直，發散角從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品的3倍。”曹俊誠介紹，激光器工作穩定可靠，使用十年也沒問題。
不僅如此，模塊化的太赫茲發射源使用很方便，可以做到即插即用。曹俊誠說，團隊在核心器件基礎上，開發出了太赫茲實時成像儀、近場顯微成像儀等一系列設備。
由于將太赫茲光電探測響應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現每秒百萬幀的太赫茲快速成像——這部高速“攝影機”有望分辨諸如超導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，團隊開發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。“太赫茲技術在衛星通訊上的應用前景更為誘人，它可以在極短時間內完成海量數據傳輸。”曹俊誠透露，他們開發的相關技術及模塊化產品已在國內外20多家單位使用，其中包括澳大利亞伍倫貢大學、復旦大學、中國科學院紫金山天文臺等。這些技術和產品如同未來產業的種子，將生發出太赫茲技術更為深廣的行業應用，使其發揮出改變世界的潛能。
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