Терагерцовый диапазон, может обеспечить более быструю передачу данных и новые технологии визуализации, но создание практических систем оказалось крайне сложной задачей. Несмотря на десятилетия исследований, терагерцовые системы по большей части остаются в лабораториях, поскольку оборудование, необходимое для генерации, обработки и обнаружения этих сигналов, зачастую громоздкое, дорогое и плохо масштабируемое.
Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) продемонстрировали практический подход к преодолению этого препятствия, объединив многие из этих функций в одном полупроводниковом чипе.
Измерения показали, что электроны покидают квантовые ямы менее чем за триллионную долю секунды, что достаточно быстро для работы на терагерцовой частоте. Это открытие помогло утвердить квантовые ямы в качестве жизнеспособной основы для интегрированных терагерцовых устройств. Исследователи использовали PIN-фотодиоды на квантовых ямах, изготовленные из арсенида галлия и арсенида алюминия-галлия (GaAs/AlGaAs). Они продемонстрировали, что эти структуры могут генерировать и детектировать терагерцовые сигналы посредством процесса, известного как межзонное фотосмешение с усилением.
Принцип работы системы относительно прост. Два лазерных луча с немного различающимися частотами направляются на устройство с квантовыми ямами. Когда световые волны накладываются друг на друга, они создают электрические колебания, равные разнице между частотами двух лазеров.
Если эта частота попадает в терагерцовый диапазон, устройство генерирует терагерцовый сигнал. Та же структура может работать и в обратном направлении, с высокой чувствительностью обнаруживая входящие терагерцовые волны.
«В прототипе, изготовленном на подложке PIC с квантовыми ямами из арсенида галлия и алюминия-галлия, мы продемонстрировали перестраиваемую по частоте генерацию и обнаружение терагерцового излучения в диапазоне 100–500 ГГц, добившись как более высокой эффективности генерации терагерцового излучения, так и повышенной чувствительности его обнаружения», — отмечают авторы исследования.
Исследователи еще больше повысили производительность, интегрировав полупроводниковый оптический усилитель в тот же чип. Это увеличило эффективность генерации терагерцового излучения примерно на порядок, при этом снизив требуемую для работы оптическую мощность.
Эта работа легла в основу того, что команда называет платформой монолитно-интегрированной терагерцовой оптоэлектроники (Monolithically Integrated Terahertz Optoelectronics, MITO). Платформа предназначена для размещения источников, детекторов, усилителей, модуляторов и других фотонных компонентов на общей полупроводниковой подложке с использованием методов производства, уже совместимых с коммерческими фотонными производствами.
Что еще важнее, прототип по-прежнему использует внешние лазеры, но платформа была разработана с учетом будущей интеграции. Исследователи предполагают, что в конечном итоге на чип будут интегрированы перестраиваемые лазеры и дополнительные фотонные компоненты, что позволит создавать более совершенные терагерцовые системы в компактном формате.
Если платформа окажется масштабируемой, она может оказать такое же влияние на традиционную электронику, как интегральные схемы, заменив большие лабораторные установки компактными, технологичными чипами.
Такие системы могут стать основой для будущих технологий беспроводной связи, выходящих за рамки современных сетей, а также для портативных устройств визуализации, систем химического анализа, инструментов промышленного контроля и передовых платформ дистанционного зондирования.
Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.