利用石墨烯表面等离激元的光子技术，凭借其独特的强场局域性、巨光学非线性和静电门控调控特性，为开发紧凑型低成本有源光子器件带来了突破性机遇。
近日，意大利比萨高等师范学院Miriam S. Vitiello等研究者基于这一独特性能组合，成功研制出工作频率在9.0-10.5THz区间内全频段可设计的电驱动单模光子源，实现了上变频发光。研究在分布式反馈太赫兹量子级联激光器内激发多层石墨烯微米光栅中局域化的等离激元，该激光器集成具有调控石墨烯费米能级功能的顶部超级电容器，最终实现了三次谐波产生。这种单片集成的电驱动激光器工作于其III-V族半导体异质结构核心的剩余射线带禁带范围内，输出峰值功率约9微瓦，为新一代等离激元非线性发光光源奠定了技术基础。
图1 | 器件概念。
通过将电控石墨烯等离激元集成到半导体异质结构激光器中实现频率上转换的这一演示，为新型器件开辟了广阔前景。这包括为传统技术难以覆盖的6.5-12.0THz频段量身定制固态光源的设计。凭借已实现的400 nm平均功率水平，可轻松测量大量轻分子和自由基的转动-振动谱线。所开发光源还可应用于无探测器近场散射式扫描光学显微镜系统，在尚未探索的微米波段实现量子纳米显微成像——该频段存在诸多当前备受关注的等离激元、声子和磁学现象。实际上，通过等离激元光栅将上转换光重新注入QCL谐振腔，QCL本身可作为传感器重构多频段近场图谱，包括高倍上转换太赫兹频率。
提升输出功率的技术策略将推动该技术的广泛应用，包括：（一）设计含介电/金属侧向吸收层的DFB谐振器以不需要的高阶横模；（二）采用可显著增强转换效率的先进腔体设计，例如选用比简单微带结构具有更强场增强效应的等离激元构型；（三）设计激光器顶表面解耦的等离激元晶格，或构建四分之一波长厚度的谐振腔以进一步提升局域电场密度。后者将使光学损耗变化最小化，同时实现提取效率至少一个数量级的提升。这些改进还有望为凝聚态系统的量子控制及其在量子计算架构中的应用创造新机遇。
文献信息
Di Gaspare, A., Ghayeb-Zamharir, S., Li, L. et al. Electrically driven heterostructured far-infrared wire lasers with integrated graphene plasmons. Nat. Nanotechnol. (2025).
文献链接：https://doi.org/10.1038/s41565-025-02005-z
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