Pozrite si
Terahertzové (THz) vlny ležia v elektromagnetickom spektre medzi rádiovými vlnami a infračerveným svetlom a zahŕňajú rádovo 10x vyššie frekvencie ako milimetrové vlny (mmWave) používané v pokročilejších verziách sietí 5G.
Už pred rokmi, pri štúdiu VF techniky, sme vedeli, že elektronické obvody sa pri vysokých frekvenciách – vtedy to boli rádovo stovky MHz, maximálne jednotky GHz – chovajú inak ako pri nízkych, napríklad v audiotechnike. Smerom k vyšším frekvenciám sa veci komplikujú a kritickými sa stáva aj dĺžka a kvalita spojov. Inžinieri však medzitým v pohode zvládli aj gigahertzové pásma, ktoré dnes bežne používame v každom mobile. Za hranicou mmWave však prichádzajú nové problémy a výzvy.
Obsah pokračuje pod reklamou
Vedci vedia o terahertzových (THz) vlnách už roky a vedia aj to, že tieto vlny by mohli umožniť komunikáciu s vysokou šírkou pásma, ultrarýchly prenos dát, pokročilé lekárske zobrazovanie a presné monitorovanie prostredia.
Jedným zo spôsobov, ako generovať terahertzové vlny, je reťazec zosilňovača a multiplikátora založený na čipe CMOS, ktorý zvyšuje frekvenciu rádiových vĺn, kým nedosiahnu terahertzový rozsah. Vlny potom prechádzajú cez kremíkový čip a nakoniec sú vyžarované do vzduchu. Ale v ceste ich plynulému prenosu stoja vlastnosti prostredia charakterizované dielektrickou konštantou (permitivitou).
Permitivita je fyzikálna veličina označovaná obvykle gréckym písmenom ε (epsilon), ktorá vyjadruje mieru odporu pri vytváraní elektrického poľa v určitom prenosovom médiu.
Doteraz bolo náročné využiť potenciál týchto vĺn v elektronických zariadeniach kvôli niekoľkým technologickým obmedzeniam. Nová štúdia výskumníkov z MIT však odhaľuje riešenie založené na čipoch, ktoré dokáže tieto obmedzenia prekonať a sprístupniť THz vlny viac ako kedykoľvek predtým.
Terahertzové vlny sú ovplyvnené dielektrickou konštantou. Čím nižšia je táto konštanta, tým hladšie môžu terahertzové vlny prechádzať materiálom. Nanešťastie, kremík, ktorý je kľúčovým materiálom v čipoch a elektronických obvodoch, má vysokú dielektrickú konštantu (ε =11) oproti vzduchu (ε=1), takže väčšina terahertzových vĺn sa odráža na rozhraní kremík-vzduch, namiesto toho, aby sa čisto vyžarovala.
Bežne sa k zlepšeniu prenosu THz vĺn používajú kremíkové šošovky. Tie nielenže generujú terahertzové vlny, ale tiež zvyšujú ich vyžarovaciu silu, čo im umožňuje prekonávať veľké vzdialenosti. Kremíkové šošovky však nie je možné kvôli veľkosti a cene integrovať do mikročipov. „Takéto kremíkové šošovky, ktoré sú často väčšie ako samotný čip, sťažujú integráciu terahertzového zdroja do elektronického zariadenia,“ uviedli autori štúdie.
Tím MIT preto vyvinul novú metódu na zlepšenie prechodu THz vĺn. Vedci pri tom použili princíp nazývaný párovanie, zahŕňajúci zníženie rozdielu medzi kremíkom a vzduchom. Na zadnú stranu čipu umiestnili tenkú fóliu, ktorá mala vlastnosti podporujúce preklenutie rozdielov v permitivite kremíka a vzduchu, čo znížilo odrazy vĺn.
Pomocou laseru vo fólii vytvorili mikroskopické otvory a upravili jej vlastnosti tak, aby efektívnejšie zodpovedali vlnám THz. Nakoniec do čipu začlenili vysokofrekvenčné tranzistory vyvinuté Intelom, ktoré zlepšili generovanie a prenos teraherzových vĺn.
Tento nový dizajn viedol k silnejším a efektívnejším signálom v pásme THz v porovnaní s existujúcimi metódami. Navyše, keďže lacný čip môže byť vyrobený vo veľkom rozsahu, mohol by byť ľahšie integrovaný do elektronických zariadení v reálnom svete, uvádzajú vedci z MIT.
To je dobrou správou, pretože vytvorenie terahertzového lúča si vyžiada veľa takýchto čipov. Ďalším krokom pre výskumníkov je škálovanie ich metódy na hromadnú výrobu čipov. V budúcnosti chcú preukázať túto škálovateľnosť vytvorením fázového poľa terahertzových zdrojov CMOS, čo im umožní riadiť a zaostrovať výkonný terahertzový lúč pomocou lacného a kompaktného zariadenia.
Zdroj