Исследователи разработали чрезвычайно тонкий чип с интегрированной фотонной схемой, который может использоваться для использования так называемого терагерцового диапазона, лежащего между 0,3 и 30 ТГц в электромагнитном спектре, для спектроскопии и визуализации.
В настоящее время этот разрыв представляет собой своего рода технологическую мертвую зону, описывающую частоты, которые слишком быстры для современных электронных и телекоммуникационных устройств, но слишком медленны для оптики и приложений обработки изображений.
Однако новый чип ученых теперь позволяет им производить терагерцовые волны с индивидуальной 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 сферах.
Работа, проведенная совместно EPFL, ETH Zurich и Гарвардским университетом, была опубликована вПриродные коммуникации.
Кристина Бенеа-Челмус, которая руководила исследованиями в Лаборатории гибридной фотоники (HYLAB) в Школе инженерии EPFL, объяснила, что хотя терагерцовые волны и создавались в лабораторных условиях, предыдущие подходы в основном опирались на объемные кристаллы для генерации правильных частот. Вместо этого ее лаборатория использует фотонную схему, изготовленную из ниобата лития и тонко протравленную в нанометровом масштабе сотрудниками Гарвардского университета, что обеспечивает гораздо более рационализированный подход. Использование кремниевой подложки также делает устройство пригодным для интеграции в электронные и оптические системы.
«Создание волн на очень высоких частотах — чрезвычайно сложная задача, и существует очень мало методов, которые могут генерировать их с уникальными шаблонами», — пояснила она. «Теперь мы можем проектировать точную временную форму терагерцовых волн — по сути, говоря: «Я хочу волновую форму, которая выглядит вот так»».
Чтобы добиться этого, лаборатория Бенеа-Челмуса спроектировала расположение каналов чипа, называемых волноводами, таким образом, чтобы микроскопические антенны могли использоваться для трансляции терагерцовых волн, генерируемых светом из оптических волокон.
«Тот факт, что наше устройство уже использует стандартный оптический сигнал, является настоящим преимуществом, поскольку это означает, что эти новые чипы могут использоваться с традиционными лазерами, которые работают очень хорошо и очень хорошо изучены. Это означает, что наше устройство совместимо с телекоммуникациями», — подчеркнула Бенеа-Челмус. Она добавила, что миниатюрные устройства, которые отправляют и принимают сигналы в терагерцовом диапазоне, могут сыграть ключевую роль в мобильных системах шестого поколения (6G).
В мире оптики Бенеа-Челмус видит особый потенциал для миниатюрных чипов ниобата лития в спектроскопии и визуализации. Помимо того, что они неионизирующие, терагерцовые волны имеют гораздо более низкую энергию, чем многие другие типы волн (например, рентгеновские лучи), которые в настоящее время используются для предоставления информации о составе материала — будь то кость или масляная живопись. Компактное, неразрушающее устройство, такое как чип ниобата лития, может, таким образом, обеспечить менее инвазивную альтернативу текущим спектрографическим методам.
«Можно представить, что вы посылаете терагерцовое излучение через интересующий вас материал и анализируете его, чтобы измерить реакцию материала в зависимости от его молекулярной структуры. Все это с помощью устройства размером меньше спичечной головки», — сказала она.
Далее Бенеа-Челмус планирует сосредоточиться на настройке свойств волноводов и антенн чипа для разработки волновых форм с большими амплитудами и более точно настроенными частотами и скоростями затухания. Она также видит потенциал для терагерцовой технологии, разработанной в ее лаборатории, которая может быть полезна для квантовых приложений.
«Есть много фундаментальных вопросов, которые нужно решить; например, нас интересует, можем ли мы использовать такие чипы для генерации новых типов квантового излучения, которыми можно манипулировать в чрезвычайно короткие сроки. Такие волны в квантовой науке могут использоваться для управления квантовыми объектами», — заключила она.
Время публикации: 14 февр. 2023 г.
