Исследователи под руководством специалистов Калифорнийского университета в Лос‑Анджелесе продемонстрировали способ интеграции основных компонентов и функций терагерцовых систем в одном полупроводниковом чипе, совместимом с современными фотонными технологиями. Это открывает путь к созданию компактных и масштабируемых терагерцовых систем следующего поколения для коммуникаций, визуализации и сенсорных приложений.

Терагерцовый диапазон частот (примерно от 0,1 до 1 ТГц и выше) занимает относительно малоиспользуемую область электромагнитного спектра между инфракрасным излучением и микроволнами. Ученые давно видят в нем уникальный потенциал для таких применений, как сверхбыстрая беспроводная связь, системы безопасности, дистанционное зондирование и медицинская визуализация.

По мере перехода технологий к более высоким рабочим частотам и скоростям передачи данных, фотонные терагерцовые системы становятся перспективной альтернативой традиционным электронным технологиям благодаря высокой пропускной способности и энергоэффективности.

Однако управляющие светом современные терагерцовые оптоэлектронные системы — громоздкие, сложные и трудные для масштабирования. Они состоят из множества отдельных компонентов, включая лазеры, усилители, модуляторы, источники и детекторы, которые необходимо изготавливать, выравнивать и соединять, что ограничивает их применение вне специализированных лабораторий.

В Калифонийском университете решают эту проблему. Адаптировав генерацию и детектирование терагерцового излучения для совместимости с фотонными интегральными схемами они наметили путь к превращению лабораторных терагерцовых систем в компактные чипы, пригодные для массового производства.

Ранее подходы к созданию одночиповых оптоэлектронных терагерцовых систем основывались на специализированных материалах и методах изготовления, несовместимых со стандартной технологией фотонных чипов.

Теперь исследователи использовали полупроводниковые структуры с квантовыми ямами, которые широко применяются в фотонных интегральных схемах. Эти чрезвычайно тонкие слои материала, спроектированные для управления светом, были адаптированы для одновременной генерации, детектирования, модуляции и усиления терагерцовых сигналов на единой платформе чипа.

Важнейшим результатом исследований стало доказательство того, что они могут обеспечивать генерацию и детектирование терагерцовых сигналов за счет процесса усиленного межзонного фотомикширования (gain‑enhanced interband photomixing), когда для генерации сигналов на нужной длине волны комбинируются два лазерных луча.

Полученные результаты заметно превосходят возможности существующих технологий на основе фотосмесителей или интерференции света. В фотонных интегральных схемах с подложками с квантовыми ямами достигнута более высокая эффективность генерации и повышенная чувствительность детектирования терагерцовых сигналов.