שבבים המשתמשים במעגלים פוטוניים משולבים יכולים לסייע בסגירת 'פער הטרה-הרץ'

חוקרים פיתחו שבב דק במיוחד עם מעגל פוטוני משולב שניתן להשתמש בו כדי לנצל את מה שנקרא פער הטרה-הרץ - הנמצא בין 0.3-30THz בספקטרום האלקטרומגנטי - לצורך ספקטרוסקופיה והדמיה.

פער זה מהווה כיום מעין אזור מת טכנולוגי, המתאר תדרים מהירים מדי עבור מכשירי אלקטרוניקה ותקשורת של ימינו, אך איטיים מדי עבור יישומי אופטיקה והדמיה.

עם זאת, השבב החדש של המדענים מאפשר להם כעת לייצר גלי טרה-הרץ עם תדר, אורך גל, אמפליטודה ופאזה מותאמים אישית. שליטה מדויקת שכזו עשויה לאפשר ניצול קרינת טרה-הרץ עבור יישומים מהדור הבא הן בתחום האלקטרוני והן בתחום האופטי.

העבודה, שבוצעה בין EPFL, ETH ציריך ואוניברסיטת הרווארד, פורסמה בתקשורת טבע.

כריסטינה בנאה-צ'למוס, שהובילה את המחקר במעבדה לפוטוניקה היברידית (HYLAB) בבית הספר להנדסה של EPFL, הסבירה כי בעוד שגלי טרה-הרץ נוצרו במעבדה בעבר, גישות קודמות הסתמכו בעיקר על גבישים גדולים כדי לייצר את התדרים הנכונים. במקום זאת, השימוש של המעבדה שלה במעגל הפוטוני, העשוי מליתיום ניובט וחרוט דק בקנה מידה ננומטרי על ידי משתפי פעולה באוניברסיטת הרווארד, מאפשר גישה יעילה הרבה יותר. השימוש במצע סיליקון הופך את המכשיר למתאים גם לשילוב במערכות אלקטרוניות ואופטיות.

"יצירת גלים בתדרים גבוהים מאוד היא מאתגרת ביותר, ויש מעט מאוד טכניקות שיכולות לייצר אותם עם דפוסים ייחודיים", הסבירה. "כעת אנו מסוגלים להנדס את הצורה הזמנית המדויקת של גלי טרה-הרץ - לומר בעצם, 'אני רוצה צורת גל שנראית כך'."

כדי להשיג זאת, מעבדתה של בנאה-צ'למוס תכננה את סידור הערוצים של השבב, הנקראים מוליכי גל, באופן שניתן יהיה להשתמש באנטנות מיקרוסקופיות כדי לשדר גלי טרה-הרץ הנוצרים על ידי אור מסיבים אופטיים.

"העובדה שהמכשיר שלנו כבר משתמש באות אופטי סטנדרטי היא באמת יתרון, כי זה אומר שניתן להשתמש בשבבים החדשים האלה עם לייזרים מסורתיים, שעובדים מצוין ומובנים היטב. זה אומר שהמכשיר שלנו תואם לתקשורת", הדגישה בנאה-צ'למוס. היא הוסיפה כי מכשירים ממוזערים ששולחים ומקבלים אותות בטווח טרה-הרץ יכולים למלא תפקיד מפתח במערכות סלולריות מהדור השישי (6G).

בעולם האופטיקה, בנאה-צ'למוס רואה פוטנציאל מיוחד לשבבי ליתיום ניובט ממוזערים בספקטרוסקופיה ובהדמיה. בנוסף להיותם בלתי מייננים, גלי טרה-הרץ הם בעלי אנרגיה נמוכה בהרבה מסוגים רבים אחרים של גלים (כגון קרני רנטגן) המשמשים כיום כדי לספק מידע על הרכב חומר - בין אם מדובר בעצם או בציור שמן. לכן, מכשיר קומפקטי ולא הרסני כמו שבב ליתיום ניובט יכול לספק אלטרנטיבה פחות פולשנית לטכניקות הספקטרוגרפיה הנוכחיות.

"אפשר לדמיין שליחת קרינת טרה-הרץ דרך חומר שמעניין אותך וניתוח שלה כדי למדוד את תגובת החומר, בהתאם למבנה המולקולרי שלו. כל זה ממכשיר קטן יותר מראש גפרור", אמרה.

בשלב הבא, בנאה-צ'למוס מתכננת להתמקד בכוונון תכונות מוליכי הגל והאנטנות של השבב כדי להנדס צורות גל בעלות אמפליטודות גדולות יותר, ותדרים וקצבי דעיכה מכוונים יותר. היא גם רואה פוטנציאל שטכנולוגיית הטרה-הרץ שפותחה במעבדתה תהיה שימושית עבור יישומים קוונטיים.

"ישנן שאלות יסוד רבות שיש לטפל בהן; לדוגמה, אנו מעוניינים בשאלה האם נוכל להשתמש בשבבים כאלה כדי לייצר סוגים חדשים של קרינה קוונטית שניתן לתפעל בטווחי זמן קצרים ביותר. גלים כאלה במדע הקוונטי יכולים לשמש לשליטה בעצמים קוונטיים", סיכמה.