ชิปที่ใช้วงจรโฟโตนิกส์แบบบูรณาการอาจช่วยปิดช่องว่างเทราเฮิรตซ์ได้

นักวิจัยได้พัฒนาชิปที่บางมากพร้อมวงจรโฟโตนิกแบบบูรณาการ ซึ่งสามารถนำไปใช้เพื่อใช้ประโยชน์จากช่องว่างเทราเฮิร์ตซ์ ซึ่งอยู่ระหว่าง 0.3-30THz ในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า สำหรับการสเปกโตรสโคปีและการถ่ายภาพ

ช่องว่างนี้ในปัจจุบันถือเป็นจุดที่ไม่มีเทคโนโลยี ซึ่งอธิบายถึงความถี่ที่เร็วเกินไปสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และโทรคมนาคมในปัจจุบัน แต่ช้าเกินไปสำหรับการใช้งานด้านออปติกและการถ่ายภาพ

อย่างไรก็ตาม ชิปใหม่ของนักวิทยาศาสตร์ช่วยให้พวกเขาผลิตคลื่นเทราเฮิรตซ์ที่มีความถี่ ความยาวคลื่น แอมพลิจูด และเฟสที่เหมาะสมได้ การควบคุมที่แม่นยำดังกล่าวจะช่วยให้สามารถนำรังสีเทราเฮิรตซ์ไปใช้กับแอปพลิเคชันรุ่นต่อไปได้ทั้งในด้านอิเล็กทรอนิกส์และออปติก

งานที่ดำเนินการระหว่าง EPFL, ETH Zurich และมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ดได้รับการตีพิมพ์ในการสื่อสารธรรมชาติ

คริสตินา เบเนีย-เชลมัส ผู้เป็นหัวหน้าทีมวิจัยในห้องปฏิบัติการโฟโตนิกส์ไฮบริด (HYLAB) ที่คณะวิศวกรรมศาสตร์ของ EPFL อธิบายว่า แม้ว่าคลื่นเทราเฮิรตซ์จะถูกผลิตขึ้นในห้องทดลองมาก่อนแล้ว แต่แนวทางก่อนหน้านี้จะอาศัยผลึกจำนวนมากเป็นหลักในการสร้างความถี่ที่เหมาะสม ในทางกลับกัน การใช้วงจรโฟโตนิกส์ของห้องปฏิบัติการของเธอ ซึ่งทำจากลิเธียมไนโอเบตและแกะสลักอย่างละเอียดในระดับนาโนเมตรโดยผู้ร่วมงานจากมหาวิทยาลัยฮาร์วาร์ด ทำให้แนวทางนี้มีประสิทธิภาพมากขึ้น การใช้ซับสเตรตซิลิกอนยังทำให้เครื่องมือนี้เหมาะสำหรับการผสานเข้ากับระบบอิเล็กทรอนิกส์และระบบออปติกอีกด้วย

“การสร้างคลื่นความถี่สูงมากนั้นเป็นเรื่องที่ท้าทายมาก และมีเทคนิคเพียงไม่กี่อย่างเท่านั้นที่จะสร้างคลื่นที่มีรูปแบบเฉพาะตัวได้” เธออธิบาย “ตอนนี้เราสามารถออกแบบรูปร่างเวลาที่แน่นอนของคลื่นเทราเฮิรตซ์ได้แล้ว กล่าวโดยพื้นฐานแล้วก็คือ 'ฉันต้องการรูปคลื่นที่มีลักษณะแบบนี้'”

เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ห้องทดลองของ Benea-Chelmus ได้ออกแบบการจัดเรียงช่องสัญญาณของชิป ซึ่งเรียกว่าเวฟไกด์ โดยสามารถใช้เสาอากาศระดับจุลภาคในการส่งคลื่นเทราเฮิรตซ์ที่เกิดจากแสงจากเส้นใยแก้วนำแสงได้

“ข้อเท็จจริงที่ว่าอุปกรณ์ของเราใช้สัญญาณออปติคอลมาตรฐานแล้วถือเป็นข้อได้เปรียบอย่างแท้จริง เพราะหมายความว่าชิปใหม่เหล่านี้สามารถใช้กับเลเซอร์แบบดั้งเดิมซึ่งทำงานได้ดีมากและเข้าใจได้ง่าย ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์ของเรารองรับระบบโทรคมนาคม” Benea-Chelmus เน้นย้ำ เธอเสริมว่าอุปกรณ์ขนาดเล็กที่ส่งและรับสัญญาณในช่วงเทราเฮิรตซ์อาจมีบทบาทสำคัญในระบบมือถือรุ่นที่ 6 (6G)

ในโลกแห่งออปติก Benea-Chelmus มองเห็นศักยภาพเฉพาะของชิปลิเธียมไนโอเบตขนาดเล็กในสเปกโตรสโคปีและการถ่ายภาพ นอกจากจะไม่ทำให้เกิดไอออนแล้ว คลื่นเทราเฮิรตซ์ยังมีพลังงานต่ำกว่าคลื่นประเภทอื่นๆ มาก (เช่น รังสีเอกซ์) ที่ใช้ในปัจจุบันในการให้ข้อมูลเกี่ยวกับองค์ประกอบของวัสดุ ไม่ว่าจะเป็นกระดูกหรือภาพวาดสีน้ำมัน อุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดที่ไม่ทำลายล้าง เช่น ชิปลิเธียมไนโอเบต จึงเป็นทางเลือกอื่นที่รบกวนเทคนิคสเปกโตรกราฟีในปัจจุบัน

“คุณอาจลองจินตนาการถึงการส่งรังสีเทราเฮิรตซ์ผ่านวัสดุที่คุณสนใจและวิเคราะห์เพื่อวัดการตอบสนองของวัสดุนั้นโดยขึ้นอยู่กับโครงสร้างโมเลกุลของวัสดุ ทั้งหมดนี้ทำได้ด้วยอุปกรณ์ที่มีขนาดเล็กกว่าหัวไม้ขีดไฟ” เธอกล่าว

ต่อมา Benea-Chelmus วางแผนที่จะมุ่งเน้นไปที่การปรับแต่งคุณสมบัติของท่อนำคลื่นและเสาอากาศของชิปเพื่อออกแบบรูปคลื่นที่มีแอมพลิจูดที่มากขึ้น ความถี่ที่ปรับแต่งได้ละเอียดขึ้น และอัตราการสลายตัว นอกจากนี้ เธอยังมองเห็นศักยภาพของเทคโนโลยีเทราเฮิรตซ์ที่พัฒนาในห้องแล็บของเธอที่จะมีประโยชน์สำหรับแอปพลิเคชันควอนตัม

“มีคำถามพื้นฐานมากมายที่ต้องตอบ ตัวอย่างเช่น เราสนใจว่าเราสามารถใช้ชิปดังกล่าวเพื่อสร้างรังสีควอนตัมประเภทใหม่ที่สามารถจัดการได้ในช่วงเวลาสั้นมากหรือไม่ คลื่นดังกล่าวในวิทยาศาสตร์ควอนตัมสามารถนำมาใช้ควบคุมวัตถุควอนตัมได้” เธอกล่าวสรุป