Изследователи са разработили изключително тънък чип с интегрирана фотонна схема, който може да се използва за оползотворяване на така наречената терагерцова празнина – разположена между 0,3 и 30 THz в електромагнитния спектър – за спектроскопия и изображения.
Тази празнина в момента е нещо като технологична мъртва зона, описваща честоти, които са твърде бързи за днешните електронни и телекомуникационни устройства, но твърде бавни за оптика и приложения за изображения.
Новият чип на учените обаче вече им позволява да произвеждат терагерцови вълни с персонализирана честота, дължина на вълната, амплитуда и фаза. Такъв прецизен контрол би могъл да позволи използването на терагерцовото лъчение за приложения от следващо поколение както в електронната, така и в оптичната област.
Работата, проведена между EPFL, ETH Zurich и Харвардския университет, е публикувана вПриродни комуникации.
Кристина Бенеа-Челмус, която ръководеше изследването в Лабораторията по хибридна фотоника (HYLAB) в Инженерния факултет на EPFL, обясни, че макар терагерцовите вълни да са били генерирани в лабораторна обстановка и преди, предишните подходи са разчитали предимно на обемни кристали за генериране на правилните честоти. Вместо това, използването в нейната лаборатория на фотонна схема, изработена от литиев ниобат и фино гравирана в нанометров мащаб от сътрудници в Харвардския университет, прави подхода много по-опростен. Използването на силициев субстрат също прави устройството подходящо за интегриране в електронни и оптични системи.
„Генерирането на вълни с много високи честоти е изключително трудно и има много малко техники, които могат да ги генерират с уникални модели“, обясни тя. „Вече сме в състояние да проектираме точната времева форма на терагерцовите вълни – да кажем по същество: „Искам форма на вълната, която изглежда така.““
За да постигне това, лабораторията на Бенеа-Челмус е проектирала подредбата на каналите на чипа, наречени вълноводи, по такъв начин, че микроскопични антени да могат да се използват за излъчване на терагерцови вълни, генерирани от светлина от оптични влакна.
„Фактът, че нашето устройство вече използва стандартен оптичен сигнал, е наистина предимство, защото това означава, че тези нови чипове могат да се използват с традиционни лазери, които работят много добре и са много добре разбрани. Това означава, че нашето устройство е съвместимо с телекомуникациите“, подчерта Бенеа-Челмус. Тя добави, че миниатюрни устройства, които изпращат и приемат сигнали в терагерцовия диапазон, биха могли да играят ключова роля в мобилните системи от шесто поколение (6G).
В света на оптиката, Бенеа-Челмус вижда особен потенциал за миниатюрни литиево-ниобатни чипове в спектроскопията и изображенията. Освен че са нейонизиращи, терагерцовите вълни са с много по-ниска енергия от много други видове вълни (като рентгенови лъчи), използвани понастоящем за предоставяне на информация за състава на даден материал – независимо дали е кост или маслена картина. Компактно, неразрушително устройство като литиево-ниобатния чип би могло да осигури по-малко инвазивна алтернатива на настоящите спектрографски техники.
„Можете да си представите да изпращате терахерцово лъчение през материал, който ви интересува, и да го анализирате, за да измерите реакцията на материала, в зависимост от неговата молекулярна структура. Всичко това от устройство, по-малко от кибритена глава“, каза тя.
След това Бенеа-Челмус планира да се съсредоточи върху настройването на свойствата на вълноводите и антените на чипа, за да генерира вълнови форми с по-големи амплитуди и по-фино настроени честоти и скорости на затихване. Тя също така вижда потенциал в терагерцовата технология, разработена в нейната лаборатория, да бъде полезна за квантови приложения.
„Има много фундаментални въпроси, на които трябва да се отговори; например, интересува ни дали можем да използваме такива чипове, за да генерираме нови видове квантово лъчение, което може да се манипулира в изключително кратки времеви рамки. Такива вълни в квантовата наука могат да се използват за контрол на квантови обекти“, заключи тя.
Време на публикуване: 14 февруари 2023 г.
