Терагерцовые технологии десятилетиями обещают сверхбыструю связь и новые способы получать изображения, но до сих пор требуют громоздкого лабораторного оборудования. Специалисты Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе (UCLA) показали, как разместить основные элементы такой системы на одном полупроводниковом кристалле.
Терагерцовый диапазон находится между микроволнами и инфракрасным излучением. Сигналы в этой части спектра могут передавать данные быстрее современных беспроводных сетей, а также проникать через некоторые материалы и помогать досматривать грузы, проверять промышленную продукцию и анализировать химический состав. На практике эту технологию пока сложно использовать из-за дорогих и сложных источников и приёмников излучения.
Авторы работы использовали квантовые ямы, то есть сверхтонкие слои полупроводника, которые уже применяют в фотонных микросхемах. Ранее считалось, что электроны задерживаются в таких структурах слишком долго и мешают работе на терагерцовых частотах. Учёные измерили и показали, что частицы покидают квантовые ямы менее чем за одну триллионную долю секунды.
На основе арсенида галлия и алюминий-галлиевого арсенида специалисты создали фотодиоды, способные как формировать, так и принимать терагерцовые сигналы. Чтобы генерировать излучение, устройство освещают двумя лазерами с немного различающимися частотами. При наложении световых волн возникает электрическое колебание, частота которого равна разнице между частотами лазеров.
Опытный образец работал в диапазоне от 100 до 500 ГГц. Размещённый на том же кристалле полупроводниковый оптический усилитель примерно в десять раз повысил эффективность, с которой генерируется сигнал, и одновременно снизил требуемую мощность лазерного излучения.
Разработчики назвали платформу Monolithically Integrated Terahertz Optoelectronics. Архитектура позволяет размещать на общей подложке источники, приёмники, усилители, модуляторы и другие фотонные компоненты. Чтобы производить платформу, подходят технологические процессы, которые уже используют коммерческие предприятия, выпускающие фотонные микросхемы.
Пока прототип получает свет от внешних лазеров, однако в дальнейшем разработчики планируют встроить перестраиваемые лазеры непосредственно в кристалл. Такой подход позволит создавать компактные терагерцовые передатчики, системы, которые получают изображения, датчики химических веществ и приборы, которые ведут наблюдение на расстоянии.
Пока платформу рано выпускать серийно. Специалистам предстоит повысить характеристики платформы, добавить новые компоненты и объединить источники и приёмники в крупные массивы. Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.