Vědci z UCLA zmenšili terahertzovou laboratoř na čip: Otevírá se cesta k superrychlé bezdrátové komunikaci

Vědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles (UCLA) dosáhli významného průlomu v oblasti terahertzových technologií, které by mohly přinést výrazně rychlejší bezdrátovou komunikaci a nové zobrazovací metody.

Vědci z Kalifornské univerzity v Los Angeles (UCLA) dosáhli významného průlomu v oblasti terahertzových technologií, které by mohly přinést výrazně rychlejší bezdrátovou komunikaci a nové zobrazovací metody. Podařilo se jim integrovat mnoho funkcí potřebných pro generování, manipulaci a detekci terahertzových signálů na jediný polovodičový čip, čímž překonali dlouhodobé překážky spojené s objemností a vysokými náklady dosavadních systémů. Mona Jarrahi, jedna z autorek studie a profesorka inženýrství na Kalifornské univerzitě, uvedla, že jejich studie otevírá dveře k praktickým a škálovatelným terahertzovým technologiím pro reálné aplikace, neboť demonstruje integraci mnoha funkcí na jediný čip pomocí osvědčených průmyslových výrobních platforem.

Terahertzové pásmo, ležící mezi mikrovlnami a infračerveným světlem, je již desítky let předmětem intenzivního výzkumu pro svůj potenciál v přenosu dat a zobrazování. Až dosud však praktické systémy zůstávaly převážně v laboratořích. Tým z UCLA se zaměřil na kvantové jámy – extrémně tenké polovodičové vrstvy, které jsou již běžně používány ve fotonických integrovaných obvodech. Dlouho se předpokládalo, že kvantové jámy nebudou schopny efektivně podporovat terahertzový provoz, ale měření vědců ukázala, že elektrony unikají z kvantových jam dostatečně rychle (za méně než biliontinu sekundy) pro provoz v terahertzových frekvencích. Toto zjištění pomohlo etablovat kvantové jámy jako životaschopný základ pro integrovaná terahertzová zařízení.

Výzkumníci použili PIN fotodiody s kvantovými jámami vyrobené z arsenidu galia a arsenidu hliníku a galia (GaAs/AlGaAs). Prokázali, že tyto struktury dokážou generovat i detekovat terahertzové signály prostřednictvím procesu známého jako fotomíchání s vylepšeným ziskem. Princip systému je poměrně přímočarý: dva laserové paprsky s mírně odlišnými frekvencemi jsou nasměrovány do zařízení s kvantovou jámou. Jejich překrytí vytváří elektrickou oscilaci rovnou rozdílu frekvencí laserů, a pokud tato frekvence spadá do terahertzového rozsahu, zařízení produkuje terahertzový signál. Stejná struktura může fungovat i obráceně, detekovat příchozí terahertzové vlny s vysokou citlivostí.

Autoři studie uvádí, že v prototypu, který byl vyroben na substrátu PIC z GaAs/AlGaAs QW, demonstrovali frekvenčně laditelné generování a detekci terahertzových vln v rozsahu 100–500 GHz, přičemž dosáhli vyšší účinnosti generování a zlepšené citlivosti detekce. Výkon byl dále vylepšen integrací polovodičového optického zesilovače na stejném čipu, což zvýšilo účinnost generování terahertzových vln zhruba o řád a snížilo potřebný optický výkon. Tato práce tvoří základ platformy nazvané Monolithically Integrated Terahertz Optoelectronics (MITO), která je navržena tak, aby podporovala zdroje, detektory, zesilovače, modulátory a další fotonické komponenty na sdíleném polovodičovém substrátu pomocí výrobních metod kompatibilních s komerčními fotonickými slévárnami.

Ačkoliv prototyp stále využívá externí lasery, platforma je navržena s ohledem na budoucí integraci laditelných laserů a dalších fotonických komponent přímo na čip. Pokud se platforma ukáže jako škálovatelná, mohla by mít podobný dopad jako integrované obvody na konvenční elektroniku, nahrazující velké laboratorní sestavy kompaktními a vyrobitelnými čipy. Takové systémy by mohly pohánět budoucí bezdrátové komunikační technologie přesahující dnešní sítě a zároveň umožnit přenosná zobrazovací zařízení, systémy pro chemické snímání, nástroje pro průmyslovou inspekci a pokročilé platformy pro dálkový průzkum. Technologie je zatím ve fázi prototypu a před komerční dostupností plně integrovaných terahertzových komunikačních nebo zobrazovacích systémů je ještě třeba vykonat značné inženýrské práce. Další kroky zahrnují začlenění dalších on-chip komponent, zlepšení výkonu a rozšíření platformy na větší pole terahertzových zdrojů a detektorů. Studie byla publikována v časopise Nature Communications.