Forskare har utvecklat ett extremt tunt chip med en integrerad fotonisk krets som skulle kunna användas för att utnyttja det så kallade terahertzgapet – som ligger mellan 0,3-30THz i det elektromagnetiska spektrumet – för spektroskopi och avbildning.
Denna klyfta är för närvarande något av en teknisk dödzon, som beskriver frekvenser som är för snabba för dagens elektronik- och telekommunikationsenheter, men för långsamma för optik och bildbehandlingstillämpningar.
Men forskarnas nya chip gör det nu möjligt för dem att producera terahertzvågor med skräddarsydd frekvens, våglängd, amplitud och fas.En sådan exakt kontroll skulle kunna göra det möjligt för terahertzstrålning att utnyttjas för nästa generations tillämpningar i både den elektroniska och optiska världen.
Arbetet, utfört mellan EPFL, ETH Zürich och University of Harvard, har publicerats iNaturkommunikation.
Cristina Benea-Chelmus, som ledde forskningen i Laboratory of Hybrid Photonics (HYLAB) vid EPFL:s School of Engineering, förklarade att medan terahertzvågor har producerats i en labbmiljö tidigare, har tidigare tillvägagångssätt förlitat sig främst på bulkkristaller för att generera rätt frekvenser.Istället ger hennes labbs användning av den fotoniska kretsen, gjord av litiumniobat och fint etsad i nanometerskala av medarbetare vid Harvard University, ett mycket mer strömlinjeformat tillvägagångssätt.Användningen av ett kiselsubstrat gör också enheten lämplig för integration i elektroniska och optiska system.
"Att generera vågor vid mycket höga frekvenser är extremt utmanande, och det finns väldigt få tekniker som kan generera dem med unika mönster," förklarade hon."Vi kan nu konstruera den exakta tidsformen av terahertzvågor - för att säga i huvudsak, 'Jag vill ha en vågform som ser ut så här'."
För att uppnå detta designade Benea-Chelmus labb chipets arrangemang av kanaler, så kallade vågledare, på ett sådant sätt att mikroskopiska antenner kunde användas för att sända terahertzvågor som genereras av ljus från optiska fibrer.
"Det faktum att vår enhet redan använder en standard optisk signal är verkligen en fördel, eftersom det betyder att dessa nya chips kan användas med traditionella lasrar, som fungerar mycket bra och är mycket väl förstådda.Det betyder att vår enhet är telekommunikationskompatibel”, betonade Benea-Chelmus.Hon tillade att miniatyriserade enheter som skickar och tar emot signaler i terahertz-området kan spela en nyckelroll i sjätte generationens mobilsystem (6G).
I optikens värld ser Benea-Chelmus en särskild potential för miniatyriserade litiumniobatchips inom spektroskopi och bildbehandling.Förutom att vara icke-joniserande har terahertzvågor mycket lägre energi än många andra typer av vågor (som röntgenstrålar) som för närvarande används för att ge information om sammansättningen av ett material – oavsett om det är ett ben eller en oljemålning.En kompakt, oförstörande enhet som litiumniobatchippet skulle därför kunna ge ett mindre invasivt alternativ till nuvarande spektrografiska tekniker.
"Du skulle kunna tänka dig att skicka terahertzstrålning genom ett material du är intresserad av och analysera det för att mäta materialets respons, beroende på dess molekylära struktur.Allt detta från en enhet som är mindre än ett tändstickshuvud”, sa hon.
Därefter planerar Benea-Chelmus att fokusera på att justera egenskaperna hos chipets vågledare och antenner för att konstruera vågformer med större amplituder och mer finjusterade frekvenser och avklingningshastigheter.Hon ser också potential för att terahertz-teknologin som utvecklats i hennes labb kan vara användbar för kvanttillämpningar.
”Det finns många grundläggande frågor att ta itu med;till exempel är vi intresserade av om vi kan använda sådana chips för att generera nya typer av kvantstrålning som kan manipuleras på extremt korta tidsskalor.Sådana vågor inom kvantvetenskapen kan användas för att kontrollera kvantobjekt”, avslutade hon.
Posttid: 2023-02-14