Исследователи разработали чрезвычайно тонкий чип со встроенной фотонной схемой, который можно использовать для использования так называемого терагерцового промежутка, лежащего между 0,3-30 ТГц в электромагнитном спектре, для спектроскопии и визуализации.
Этот разрыв в настоящее время является чем-то вроде технологической мертвой зоны, описывая частоты, которые слишком высоки для современной электроники и телекоммуникационных устройств, но слишком медленны для оптики и приложений обработки изображений.
Однако новый чип ученых теперь позволяет им создавать терагерцовые волны с заданной частотой, длиной волны, амплитудой и фазой.Такой точный контроль может позволить использовать терагерцовое излучение для приложений следующего поколения как в электронной, так и в оптической областях.
Работа, проведенная между EPFL, ETH Zurich и Гарвардским университетом, была опубликована вСвязь с природой.
Кристина Бенеа-Челмус, руководившая исследованиями в Лаборатории гибридной фотоники (HYLAB) Инженерной школы EPFL, объяснила, что хотя терагерцовые волны и раньше создавались в лабораторных условиях, предыдущие подходы полагались в основном на объемные кристаллы для генерации нужных частоты.Вместо этого использование в ее лаборатории фотонной схемы, сделанной из ниобата лития и тонко вытравленной в нанометровом масштабе сотрудниками Гарвардского университета, обеспечивает гораздо более рациональный подход.Использование кремниевой подложки также делает устройство пригодным для интеграции в электронные и оптические системы.
«Генерировать волны на очень высоких частотах чрезвычайно сложно, и существует очень мало методов, которые могут генерировать их с уникальными узорами», — пояснила она.«Теперь мы можем спроектировать точную временную форму терагерцовых волн — по сути, сказать: «Я хочу, чтобы форма волны выглядела вот так».
Чтобы достичь этого, лаборатория Бенеа-Челмуса разработала расположение каналов чипа, называемых волноводами, таким образом, чтобы микроскопические антенны можно было использовать для передачи терагерцовых волн, генерируемых светом из оптических волокон.
«Тот факт, что наше устройство уже использует стандартный оптический сигнал, является действительно преимуществом, потому что это означает, что эти новые чипы можно использовать с традиционными лазерами, которые очень хорошо работают и очень хорошо изучены.Это означает, что наше устройство совместимо с телекоммуникациями», — подчеркнула Бенеа-Челмус.Она добавила, что миниатюрные устройства, отправляющие и принимающие сигналы в терагерцовом диапазоне, могут сыграть ключевую роль в мобильных системах шестого поколения (6G).
В мире оптики Бенеа-Челмус видит особый потенциал миниатюрных чипов ниобата лития в спектроскопии и визуализации.В дополнение к тому, что терагерцовые волны не ионизируют, они имеют гораздо более низкую энергию, чем многие другие типы волн (например, рентгеновские лучи), которые в настоящее время используются для получения информации о составе материала — будь то кость или картина маслом.Таким образом, компактное неразрушающее устройство, такое как чип из ниобата лития, могло бы стать менее инвазивной альтернативой современным спектрографическим методам.
«Вы можете представить, что пропускаете терагерцовое излучение через интересующий вас материал и анализируете его для измерения реакции материала в зависимости от его молекулярной структуры.Все это от устройства размером меньше спичечной головки», — сказала она.
Затем Бенеа-Челмус планирует сосредоточиться на настройке свойств волноводов и антенн чипа, чтобы создавать сигналы с большей амплитудой, а также с более точной настройкой частот и скоростей затухания.Она также видит потенциал терагерцовой технологии, разработанной в ее лаборатории, для применения в квантовых приложениях.
«Есть много фундаментальных вопросов, которые необходимо решить;например, нас интересует, можем ли мы использовать такие чипы для генерации новых типов квантового излучения, которыми можно манипулировать в чрезвычайно короткие промежутки времени.Такие волны в квантовой науке можно использовать для управления квантовыми объектами», — заключила она.
Время публикации: 14 февраля 2023 г.