Гібридний фотонний терагерцовий чіп для комунікацій та сенсорики

18 августа 2025 г., 13:35

Дослідники з EPFL та Гарвардського університету розробили мікросхему, яка може перетворювати електромагнітні імпульси в терагерцовому та оптичному діапазонах на одному пристрої. Їхня інтегрована конструкція може сприяти розробці пристроїв для надшвидких телекомунікацій, далекомірів, спектроскопії та обчислювальної техніки.

Терагерцове випромінювання описує діапазон хвиль в електромагнітному спектрі з частотами, вищими за мікрохвилі (які використовуються в телекомунікаційних технологіях, таких як Wi-Fi), але нижчими за інфрачервоне світло (використовується в лазерах та волоконній оптиці). Короткі довжини хвиль означають, що терагерцові (ТГц) сигнали можуть дуже швидко передавати великі обсяги даних, але підключення ТГц-випромінювання до наявних оптичних та мікрохвильових технологій було надзвичайно складним завданням.

У 2023 році дослідники з Лабораторії гібридної фотоніки зробили ще один крок до подолання цієї проблеми, створивши надзвичайно тонкий фотонний чіп з ніобіту літію, який при підключенні до лазерного променя генерував точно настроювані THz-хвилі. Зараз команда повідомила про нову конструкцію, яка не тільки генерує THz-хвилі, але й виявляє вхідні хвилі, перетворюючи їх на оптичні сигнали.

Це двонапрямне перетворення на єдиній мініатюрній платформі є важливим кроком на шляху до подолання розриву між ТГц- та оптичною сферами та може сприяти розробці компактних та енергоефективних пристроїв для комунікації, сенсорики, спектроскопії та обчислень. Результати дослідження опубліковано в журналі Nature Communications.

«Окрім демонстрації першого виявлення ТГц-імпульсів на фотонній мікросхемі з ніобіту літію, ми створили ТГц-електричні поля, які були в 100 разів сильнішими, та збільшили пропускну здатність у п'ять разів (з 680 ГГц до 3,5 ТГц)», — каже Крістіна Бенеа-Челмус (Cristina Benea-Chelmus), керівниця Лабораторії гібридної фотоніки.

Аспірант і перший автор статті Язан Ламперт (Yazan Lampert) пояснює, що інноваційний дизайн команди зосереджений на вбудовуванні мікроскопічних структур, які називаються лініями передачі, у їхній фотонний чіп з ніобіту літію. Ці лінії діють як радіокабелі розміром з чіп, направляючи ТГц-хвилі вздовж чіпа. Розмістивши поруч другу структуру для направлення оптичних (світлових) хвиль, вчені покращили взаємодію та перетворення між ними з мінімальними втратами енергії.

«Ми можемо контролювати як оптичні, так і ТГц-імпульси на одній платформі просто за допомогою нашої мініатюрної схеми. Наш підхід поєднує фотонні схеми та ТГц-схеми в одному пристрої з безпрецедентною пропускною здатністю», — підкреслив Язан Ламперт.

Широкосмугові ТГц-сигнали, що генеруються гібридним пристроєм, можуть, наприклад, використовуватися для розробки терагерцового радара, в якому надзвичайно короткі ТГц-імпульси можуть використовуватися для оцінки відстані до об'єкта (далекомір) з точністю до одного міліметра. Завдяки компактній та енергоефективній конструкції, чіп також сумісний з наявними фотонними технологіями, такими як лазери, модулятори світла та детектори. Команда вже працює над повною мініатюризацією конструкції чіпа, щоб забезпечити його безперебійну інтеграцію в системи зв'язку та вимірювання відстані наступного покоління, такі як ті, що використовуються в безпілотних автомобілях.

Амірхассан Шамс-Ансарі (Amirhassan Shams-Ansari), співавтор цієї роботи та нині головний інженер з лазерів у DRS Daylight Solutions (раніше — докторант Гарвардського університету), зазначає: «Тонкоплівковий ніобат літію виявився потужною платформою для інтегрованої фотоніки, що дозволяє створювати нове покоління додатків і пристроїв. Дуже цікаво спостерігати, як ця технологія просувається в дуже перспективну, але ще малодосліджену область ТГц».

«Ми передбачаємо, що запропоновані нами рекомендації щодо проєктування стануть вирішальними в майбутніх терагерцових додатках, таких як високошвидкісний зв'язок 6G, де сенсори та далекоміри будуть важливою компонентою комунікаційної мережі», — каже Бенеа-Челмус.

Це дослідження отримало фінансування від Європейського Союзу (грант MIRAQLS № 101070700), Швейцарського національного наукового фонду (грант PRIMA № 201547) та програми SNSF-NSF Lead agency (NSF ECCS-2407727).