Дослідники розробили надзвичайно тонкий чіп із інтегрованою фотонною схемою, який можна використовувати для використання так званого терагерцового проміжку – що лежить між 0,3-30 ТГц в електромагнітному спектрі – для спектроскопії та візуалізації.
Зараз цей розрив є чимось на кшталт технологічної мертвої зони, що описує частоти, надто високі для сучасної електроніки та телекомунікаційних пристроїв, але надто повільні для оптики та програм для обробки зображень.
Однак новий чіп учених тепер дозволяє виробляти терагерцові хвилі з індивідуальною частотою, довжиною хвилі, амплітудою та фазою.Такий точний контроль може дозволити використовувати терагерцове випромінювання для додатків наступного покоління як в електронній, так і в оптичній сферах.
Робота, проведена між EPFL, ETH Zurich та Гарвардським університетом, була опублікована вКомунікації природи.
Крістіна Бенеа-Челмус, яка очолила дослідження в Лабораторії гібридної фотоніки (HYLAB) Інженерної школи EPFL, пояснила, що хоча терагерцові хвилі вироблялися в лабораторних умовах раніше, попередні підходи покладалися в основному на об’ємні кристали для створення правильного частоти.Натомість використання в її лабораторії фотонної схеми, виготовленої з ніобату літію та ретельно вигравіруваної в нанометровому масштабі співавторами з Гарвардського університету, забезпечує набагато більш раціональний підхід.Використання кремнієвої підкладки також робить пристрій придатним для інтеграції в електронні та оптичні системи.
«Генерувати хвилі на дуже високих частотах надзвичайно складно, і існує дуже мало методів, які можуть генерувати їх за допомогою унікальних моделей», — пояснила вона.«Тепер ми можемо сконструювати точну часову форму хвиль терагерцового діапазону – по суті, сказати: «Мені потрібна форма хвилі, яка виглядає так».
Щоб досягти цього, лабораторія Benea-Chelmus розробила канали чіпа, які називаються хвилеводами, таким чином, щоб мікроскопічні антени могли використовуватися для трансляції терагерцових хвиль, створюваних світлом від оптичних волокон.
«Той факт, що наш пристрій уже використовує стандартний оптичний сигнал, є справді перевагою, оскільки це означає, що ці нові чіпи можна використовувати з традиційними лазерами, які працюють дуже добре та добре зрозумілі.Це означає, що наш пристрій телекомунікаційно сумісний», – підкреслила Бенеа-Челмус.Вона додала, що мініатюрні пристрої, які надсилають і приймають сигнали в терагерцевому діапазоні, можуть відігравати ключову роль у мобільних системах шостого покоління (6G).
У світі оптики Benea-Chelmus бачить особливий потенціал для мініатюрних мікросхем ніобату літію в спектроскопії та візуалізації.Окрім того, що терагерцові хвилі є неіонізуючими, вони мають набагато нижчу енергію, ніж багато інших типів хвиль (наприклад, рентгенівське випромінювання), які зараз використовуються для надання інформації про склад матеріалу – чи то кістка, чи картина маслом.Таким чином, компактний неруйнівний пристрій, такий як чіп з ніобату літію, може стати менш інвазивною альтернативою поточним спектрографічним методам.
«Ви можете собі уявити, що терагерцове випромінювання надсилається через матеріал, який вас цікавить, і аналізує його, щоб виміряти реакцію матеріалу залежно від його молекулярної структури.Все це з пристрою, меншого за сірникову головку», — сказала вона.
Далі Benea-Chelmus планує зосередитися на налаштуванні властивостей хвилеводів і антен мікросхеми для розробки форм сигналу з більшою амплітудою та більш точно налаштованими частотами та темпами загасання.Вона також бачить потенціал терагерцевої технології, розробленої в її лабораторії, для використання в квантових додатках.
«Є багато фундаментальних питань, які потрібно вирішити;наприклад, ми зацікавлені в тому, чи можемо ми використовувати такі чіпи для генерації нових типів квантового випромінювання, яким можна маніпулювати в надзвичайно коротких часових масштабах.Такі хвилі в квантовій науці можна використовувати для управління квантовими об’єктами», – підсумувала вона.
Час публікації: 14 лютого 2023 р