项目名称：高性能太赫兹量子级联激光器及仪器关键技术

奖项：2023年度上海市技术发明奖一等奖

获奖团队：中国科学院上海微系统与信息技术研究所曹俊诚团队

“十年前，一块性能普通的太赫兹芯片，国外企业向我们开价5万欧元。现在，我们可以自己造，成本只有当年国外的十分之一，而且功能更强大。”为了这一天，中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员曹俊诚带领团队，孜孜不倦努力了20多年。

由于太赫兹频段的电磁波产生和探测十分困难，人们将这个可能改变未来世界却难以开发的频段称为“太赫兹空隙”。领域全新、经验全无、材料匮缺，曹俊诚团队从基础入手，不仅开发出体积小、寿命长、性能好、用处广的太赫兹芯片及激光器，还使其在十多个行业中小试牛刀。

今天（10月23日）举行的全市科技大会暨科学技术奖励大会上，曹俊诚团队因填补“太赫兹空隙”而获得2023年度上海市技术发明奖一等奖。

曹俊诚（右）指导学生做实验

“电子瀑布”效率提升200倍

太赫兹，一种介于红外光与微波之间的电磁波，波长范围在30微米至3毫米之间。

“与红外光相比，它能穿透比皮夹克还厚的阻挡，清晰成像；与微波相比，它的信道数更多，可传输巨量信息。与X射线相比，它的光子能量小，不会对有机组织产生电离破坏，更有利于生物医学应用。”说起太赫兹的优点，曹俊诚眼神闪亮：它在物理学、材料科学、医学成像、射电天文、雷达、宽带和保密通信，尤其是卫星间通讯上，都具有重大应用前景，“被列为改变未来世界的十大技术之一”。

研究一种电磁波，首先要掌握其辐射产生和检测的方法。上世纪90年代，太赫兹领域的这个关隘一直难以突破，相关辐射源的光电转换效率徘徊在万分之几。本世纪初，针对缺乏高品质太赫兹光源和国产器件这一痛点，曾师从我国凝聚态物理学泰斗、中国科学院院士雷啸霖的曹俊诚，凭借自己在低维半导体器件和物理研究上的扎实基础，决定挑战这一难题。

自那时起，刻苦工作，挑灯夜战，成了曹俊诚科研工作的常态。为钻研相关理论和技术，他多次前往加拿大、美国、澳大利亚、日本访学。终于，他带领团队从源头上取得了突破。

“当电子从高能级‘跳跃’到低能级时，电子就会释放出太赫兹光子，形成太赫兹辐射。”曹俊诚说，他们设计出了独特的量子阱“台阶”， 就好像修建一座200多级的水库，让“电子瀑布”在跌落过程中均衡释放出太赫兹光。

原理突破难，材料和器件实现更难。构建这座 “电子瀑布”，要经过上多层的原子级精度的材料生长， “如果用我们的技术去建造1300多公里的京沪高铁，不考虑地球曲率情况下，其整体起伏不会超过4毫米。”曹俊诚颇为自豪地说，经过多年迭代，他们研制的太赫兹芯片效率较之过去提升了200倍，输出功率已达瓦级以上，工作温度也从过去零下近200℃，提升到零下70℃左右，大大方便了器件的推广应用。

半枚硬币大小，1秒成像百万帧

在位于中国科学院上海微系统所的集成电路材料全国重点实验室，记者见到了全国产的太赫兹半导体激光器——芯片只有半个一元硬币大小，封装成的激光器可以托在掌心。

“我们将激光器功率提升到了瓦级水平，辐射的太赫兹光更加准直，发散角从17度降低至2.4度，模块化的激光器输出功率为国外同类产品的3倍。”曹俊诚介绍，激光器工作稳定可靠，使用十年也没问题。

不仅如此，模块化的太赫兹发射源使用很方便，可以做到即插即用。曹俊诚说，团队在核心器件基础上，开发出了太赫兹实时成像仪、近场显微成像仪等一系列设备。

由于将太赫兹光电探测响应时间缩短到了亚纳秒量级，他们研制的太赫兹高速探测芯片能实现每秒百万帧的太赫兹快速成像——这部高速“摄影机”有望分辨诸如超导库伯对解耦等过去快到难以看清的超快过程，为未来自然探索推开一扇新的观测窗口。

此外，团队开发的低功耗太赫兹激光器作为本振源，可用于探测来自宇宙深处的微弱太赫兹频段信号。“太赫兹技术在卫星通讯上的应用前景更为诱人，它可以在极短时间内完成海量数据传输。”曹俊诚透露，他们开发的相关技术及模块化产品已在国内外20多家单位使用，其中包括澳大利亚伍伦贡大学、复旦大学、中国科学院紫金山天文台等。这些技术和产品如同未来产业的种子，将生发出太赫兹技术更为深广的行业应用，使其发挥出改变世界的潜能。