Исследователи EPFL в сотрудничестве с коллегами из Гарварда и ETH Zurich создали новую тонкопленочную схему, которая, будучи подключенной к лазерному лучу, производит тонко настраиваемые волны терагерцовой частоты. Устройство открывает мир потенциальных применений в оптике и телекоммуникациях.
Исследователи под руководством Кристины Бенеа-Челмус из лаборатории гибридной фотоники (HYLAB) инженерной школы EPFL сделали большой шаг к успешному использованию так называемого терагерцового промежутка, который лежит между 300 и 30 000 гигагерц (0,3 - 30 ТГц) в электромагнитном спектре. В настоящее время этот диапазон является чем-то вроде технологической мертвой зоны, описывая частоты, которые слишком быстры для современных электронных и телекоммуникационных устройств, но слишком медленны для оптики и визуализации.
Теперь, благодаря чрезвычайно тонкому чипу с интегрированной фотонной схемой из ниобата лития, исследователям HYLAB и коллегам из ETH Zurich и Гарвардского университета удалось не только создать терагерцовые волны, но и разработать решение для индивидуальной настройки их частоты, длины волны, амплитуды и фазы.
Такой точный контроль над терагерцовым излучением означает, что теперь его потенциально можно использовать для приложений нового поколения как в электронной, так и в оптической сферах. Результаты недавно были опубликованы в журнале Nature Communications.
"То, что устройства испускают излучение с заданными нами свойствами, стало подтверждением правильности нашей модели", - говорит соавтор первого исследования Алекса Хертер, которая в настоящее время является аспиранткой ETH Zurich.
"Это стало возможным благодаря уникальным особенностям интегральной фотоники на основе ниобата лития", - добавляет соавтор Амирхассан Шамс-Ансари, постдокторант Гарвардского университета.
Готовый для телекоммуникаций
Бенеа-Челмус объясняет, что хотя такие терагерцовые волны уже получали в лабораторных условиях, предыдущие подходы в основном опирались на объемные кристаллы для генерирования нужных частот. Использование в ее лаборатории схемы из ниобата лития, тонко вытравленного на нанометровом уровне сотрудниками Гарвардского университета, делает их новый подход гораздо более упрощенным. Использование кремниевой подложки также делает устройство пригодным для интеграции в электронные и оптические системы.
"Генерирование волн на очень высоких частотах является чрезвычайно сложной задачей, и существует очень мало методов, позволяющих генерировать их с уникальным рисунком. Теперь мы можем создавать точную временную форму терагерцовых волн, по сути, говоря: "Я хочу получить форму волны, которая выглядит вот так", - объясняет она.
Для достижения этой цели лаборатория Бенеа-Челмус разработала расположение каналов чипа, называемых волноводами, из которых микроскопические антенны транслируют терагерцовые волны, генерируемые светом из оптических волокон.
"Тот факт, что наше устройство уже использует стандартный оптический сигнал, действительно является преимуществом, потому что это означает, что эти новые чипы можно использовать с традиционными лазерами, которые работают очень хорошо и очень хорошо изучены. Это означает, что наше устройство совместимо с телекоммуникациями", - подчеркивает Бенеа-Челмус. Она добавляет, что миниатюрные устройства, посылающие и принимающие 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 из ниобата лития в спектроскопии и визуализации. Помимо того, что терагерцовые волны не являются ионизирующими, они обладают гораздо меньшей энергией, 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. Поэтому компактное, неразрушающее устройство, подобное чипу из ниобата лития, могло бы стать менее инвазивной альтернативой существующим спектрографическим методам.
"Вы можете представить себе, как посылаете терагерцовое излучение через интересующий вас материал и анализируете его, чтобы измерить реакцию материала в зависимости от его молекулярной структуры. И все это с помощью устройства размером меньше спичечной головки".
Квантовое будущее
Далее Бенеа-Челмус планирует сосредоточиться на изменении свойств волноводов и антенн чипа для создания форм волн с большей амплитудой и более точной настройкой частоты и скорости затухания. Она также считает, что терагерцовая технология, разработанная в ее лаборатории, может быть полезна для квантовых приложений.
"Есть много фундаментальных вопросов, которые необходимо решить; например, нас интересует, можем ли мы использовать такие чипы для генерации новых типов квантового излучения, которым можно манипулировать на чрезвычайно коротких временных интервалах. Такие волны в квантовой науке могут быть использованы для управления квантовыми объектами".
Источник: https://techxplore.com/news/2023-01-photonic-circuits-terahertz-gap.html
