В Калтехе изготовили терагерцевый излучатель на КМОП-чипе

Электромагнитные волны в терагерцевом частотном диапазоне 0,3-3 ТГц благодаря большой проникающей способности и отсутствию ионизации, характерной для рентгеновских лучей, имеют множество потенциальных приложений, например, сканирование помещений и багажа с выявлением взрывчатых, наркотических или токсичных веществ, медицинская визуализация и диагностика рака.

К сожалению, внедрению этой технологии мешает отсутствие компактных и недорогих устройств, способных работать в этой полосе частот. Большинство терагерцевых систем требуют применения громоздких и дорогих лазеров, охлаждаемых до криогенных температур.

В декабрьском издании IEEE Journal of Solid-State Circuits в статье «A 0.28 THz Power-Generation and Beam-Steering Array in CMOS Based on Distributed Active Radiators» два инженера Калтеха сообщили о создании ими с применением КМОП-процесса чипов, которые интегрируют полную терагерцевую функциональность, и при этом помещаются на кончике пальца.

Новая микросхема не только генерирует сигналы в тысячу раз сильнее, чем альтернативные решения, но и может динамически программироваться, изменяя диаграмму направленности излучения, то есть, представляет собой первую в мире интегрированную сканирующую антенную решетку для терагерцевого диапазона.

Исследователям пришлось преодолеть много трудностей на пути к работающим терагерцевым прототипам. Кремниевые схемы, прежде всего, просто не приспособлены для функционирования в этом диапазоне. Каждый транзистор имеет верхний порог частот, выше которого он теряет способность усиливать сигнал, и эта предельная частота в современных КМОП-устройствах существенно не дотягивает до нужного диапазона.

Обойти это ограничение удалось, используя большое количество транзисторов, работающих «в унисон». Каждый из них по отдельности генерировал очень слабый сигнал, но синхронизировав все эти элементы, ученые смогли получить сигнал достаточно большой мощности на частоте на 40-50% выше предельной.

Для излучения такого сигнала обычные проволочные антенны неэффективны, поэтому в качестве антенны используется весь чип с интегрированным в него массивом распределенных металлических сегментов — аналогом фазированной решетки.

Созданный при содействии IBM терагерцевый сканер был успешно испытан: в частности, он позволил получить изображения металлических предметов, скрытых в пластиковых конвертах.

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365