Хотя люди и изобрели множество способов использования радиоволн, рентгеновских лучей, микроволн, инфракрасного излучения и многих других видов электромагнитного излучения, однако терагерцовые волны все еще хранят многие свои загадки. Ученые знают о терагерцовых волнах уже много лет. Их уникальные свойства позволяют предположить, что эти волны могут обеспечить широкополосную связь, сверхбыструю передачу данных, передовую медицинскую визуализацию и точный мониторинг окружающей среды. Кроме того, их способность проникать в различные материалы без вредного излучения делает их полезными для контроля качества в промышленности и химического зондирования. До сих пор было сложно использовать потенциал этих волн в электронных устройствах из-за ряда технологических ограничений. Однако последние исследования ученых Массачусетского технологического института (MIT) позволяют найти некоторые решения на основе микросхем, которые могут преодолеть эти ограничения и сделать терагерцовые волны более доступными, чем когда-либо.
Как известно, распространение терагерцовых (ТГц) волн зависит от диэлектрической проницаемости, которая является показателем того, насколько хорошо материал может накапливать и замедлять электрическое поле. Чем ниже эта постоянная, тем лучше терагерцовые волны могут проходить через материал.
К сожалению, кремний, который является ключевым материалом в нынешних микросхемах и электронных устройствах, обладает высокой диэлектрической проницаемостью. “Поскольку диэлектрическая проницаемость кремния намного выше, чем у воздуха, большинство терагерцовых волн отражается на границе кремний-воздух, а не передается обратно”, - говорят авторы исследования из Массачусетского технологического института.
Распространенным подходом к улучшению передачи терагерцовых волн является использование кремниевых линз, которые фокусируют и усиливают мощность волн. Эти линзы не только генерируют терагерцовые волны, но и увеличивают мощность их излучения, позволяя им преодолевать большие расстояния. Однако здесь есть одна загвоздка: из-за своих размеров и стоимости кремниевые линзы не могут быть интегрированы с электронными чипами. Поэтому нельзя использовать терагерцовые волны, генерируемые этими линзами, для передачи данных или любых других электронных целей. “Такие кремниевые линзы, которые часто больше, чем сам чип, затрудняют интеграцию терагерцового источника в электронное устройство”, - говорят авторы исследования.
В этих условиях команда Массачусетского технологического института разработала новый метод, позволяющий улучшить прохождение терагерцовых волн через кремниевые чипы. Чтобы решить эту проблему, исследователи применили принцип, называемый "согласованием", который заключается в уменьшении разницы между кремнием (его диэлектрическая проницаемость равна 11) и воздухом (диэлектрическая проницаемость которого равна 1), чтобы через позволить большему прохождению волн.
Сначала ученые MIT поместили тонкий лист материала на заднюю панель чипа. Этот лист обладал свойствами, которые помогали преодолеть разрыв между кремнием и воздухом, позволяя большему количеству волн проходить сквозь него, а не отражаться. Затем они использовали лазерный луч для создания микроскопических отверстий в листе, изменяя его свойства таким образом, чтобы он более эффективно соответствовал ТГц-волнам. Наконец, они использовали высокочастотные транзисторы, разработанные Intel, которые улучшили генерацию и передачу ТГц-волн. “Эти две вещи, взятые вместе, - более мощные транзисторы и диэлектрический слой, а также несколько других небольших инноваций - позволили нам превзойти некоторые другие устройства”, - отметили авторы исследования. Эта новая конструкция позволила получить более сильные и эффективные сигналы ТГц по сравнению с существующими методами. “Чип генерировал терагерцовые сигналы с пиковой мощностью излучения 11,1 децибел-милливатт, что является лучшим показателем среди современных технологий. Более того, поскольку недорогой чип может быть изготовлен в больших масштабах, его можно легче интегрировать в реальные электронные устройства”, - отмечает команда Массачусетского технологического института.
Однако для создания терагерцового луча требуется не один, а множество таких чипов. Поэтому следующим шагом исследователей является масштабирование их метода для производства большого количества чипов. Результаты исследования вскоре будут представлены на Международной конференции IEEE по твердотельным схемам (ISSCC).