Исследователи из Федеральной политехнической школы Лозанны (EPFL) и Гарвардского университета разработали инновационный чип, способный одновременно генерировать и детектировать терагерцовое и оптическое излучение на единой миниатюрной платформе. Это достижение открывает путь к созданию компактных, энергоэффективных устройств для сверхбыстрой связи, высокоточного зондирования, спектроскопии и перспективных вычислений.
Терагерцовое излучение занимает промежуточную полосу в электромагнитном спектре между микроволнами и инфракрасным светом. Его короткие волны позволяют передавать огромные объёмы данных с рекордной скоростью, однако интеграция терагерцовых технологий с существующими оптическими и радиочастотными системами долгое время оставалась серьёзной технической проблемой.
В 2023 году команда из Лаборатории гибридной фотоники EPFL под руководством профессора Кристины Бенеа-Челмус впервые представила тонкоплёночный фотонный чип на основе ниобата лития, способный генерировать точно настраиваемые терагерцовые волны при облучении лазером. Теперь же учёные совершили следующий шаг: они разработали новую архитектуру чипа, которая не только генерирует терагерцовые импульсы, но и обнаруживает их, преобразуя в оптические сигналы.
«Мы добились двунаправленного преобразования — впервые на одном микроскопическом чипе из ниобата лития мы можем и излучать, и детектировать терагерцовые волны, — говорит Бенеа-Челмус. — Это позволяет объединить преимущества оптических и терагерцовых технологий в единой компактной системе».
Новый чип демонстрирует впечатляющие характеристики: он генерирует терагерцовые электрические поля, превышающие предыдущие аналоги более чем в 100 раз, а его пропускная способность увеличена в пять раз — с 680 ГГц до 3,5 ТГц.
Ключом к успеху стал инновационный дизайн: в чип интегрированы микронные линии передачи, действующие как «радиокабели» для направления терагерцовых волн. Их близость к оптическим волноводам усиливает взаимодействие между терагерцовым и оптическим диапазонами, минимизируя потери энергии.
«Наша платформа позволяет управлять как световыми, так и терагерцовыми импульсами в рамках одного устройства, — поясняет Язан Ламперт, аспирант EPFL и первый автор исследования. — Это беспрецедентный уровень интеграции для таких частот».
Разработанный чип открывает широкие перспективы. Например, его можно использовать для создания терагерцового радара, способного измерять расстояние до объектов с миллиметровой точностью благодаря сверхкоротким импульсам. Такие системы найдут применение в беспилотных автомобилях, системах дополненной реальности и высокоточной навигации.
Кроме того, чип совместим с существующими фотонными компонентами — лазерами, модуляторами и детекторами, — что упрощает его интеграцию в промышленные решения. Исследователи уже работают над дальнейшей миниатюризацией устройства для внедрения в будущие системы связи, включая сети 6G, где зондирование и определение дальности станут неотъемлемой частью сетевой инфраструктуры.
«Тонкоплёночный ниобат лития доказал свою эффективность как платформа для интегрированной фотоники, — отмечает Амирхассан Шамс-Ансари, соавтор исследования и ныне главный инженер по лазерам в DRS Daylight Solutions. — Очень вдохновляет видеть, как эта технология проникает в столь перспективную, но ранее труднодоступную терагерцовую область».
«Мы уверены, что наши принципы проектирования станут основой для следующего поколения терагерцовых приложений, — добавляет Бенеа-Челмус. — От высокоскоростной связи до умных сенсорных сетей — этот чип может стать ключевым элементом будущих технологий».
Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Communications.
Источник: https://actu.epfl.ch/news/a-hybrid-photonic-terahertz-chip-for-communicati-2/
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/