Прорив у терагерцовій технології обіцяє більш швидке передавання даних

Терагерцові пристрої значно підвищать швидкість передачі та обробки даних. У цьому дослідженні дослідники розробили нову стратегію перетворення частоти терагерцової хвилі, що проходить у хвилеводі, в іншу довільну частоту терагерцового діапазону, що є істотним перетворенням у практичних застосуваннях. Інноваційний підхід удосконалює терагерцову технологію, сприяючи швидшій передачі даних і більш широкому застосуванню.

Терагерцова технологія має потенціал для задоволення зростаючої потреби у вищих швидкостях передачі даних, але перетворення терагерцових сигналів на низькі частоти залишається проблемою. Нещодавно японські дослідники винайшли новий підхід до підвищення та пониження перетворення терагерцових сигналів у хвилеводі. Це досягається шляхом динамічної зміни провідності хвилеводу за допомогою світла, таким чином створюючи часову межу. Їхній прорив може призвести до прогресу в оптоелектроніці та підвищення ефективності телекомунікацій.

Оскільки ми все глибше занурюємося в інформаційну епоху, попит на швидшу передачу даних продовжує стрімко зростати, що посилюється швидким прогресом у таких сферах, як глибинне навчання та робототехніка. На цьому тлі все більше вчених досліджують потенціал використання терагерцових хвиль для розробки високошвидкісних телекомунікаційних технологій.

Однак для ефективного використання терагерцового діапазону нам потрібні методи мультиплексування з частотним поділом (FDM) для передачі кількох сигналів одночасно. Звичайно, можливість перетворювати з підвищенням або зниженням частоти терагерцового сигналу на іншу довільну частоту є логічною передумовою для FDM. Це, на жаль, виявилося досить складним за сучасних технологій. Основна проблема полягає в тому, що терагерцові хвилі є надзвичайно високочастотними хвилями з точки зору звичайної електроніки та дуже низькоенергетичним світлом у контексті оптики, перевищуючи можливості більшості пристроїв і конфігурацій в обох областях. Тому для подолання поточних обмежень буде потрібен кардинально інший підхід.

Інноваційне рішення для перетворення частоти

Дивно, але в нещодавньому дослідженні, опублікованому в Nanophotonics 20 травня 2024 року, дослідницька група, включно з доцентом Кейсуке Такано з факультету природничих наук Університету Шіншу, Японія, повідомила про інноваційне рішення для зниження частоти терагерцових хвиль. Співавторами їх статті були Фуміакі Міямару з Університету Шіншу, Тосіхіро Наканіші з Кіотського університету, Йосуке Наката з Університету Осаки, а також Джоель Перес-Уркізо, Жульєн Мадео та Кешав М. Дані з Окінавського інституту науки і технологій.

Запропонована стратегія заснована на частотних перетвореннях, які відбуваються в системах, що змінюються в часі. Подібно до того, як хвилевід обмежує пакет біжучих хвиль у просторі, існує аналогічна концепція, яка виникає в часі, відома як тимчасове хвилеведення. Простіше кажучи, варіації, які відбуваються в усій системі з часом, діятимуть як «часова межа». Подібно до просторових кордонів (наприклад, межа розділу між двома різними середовищами), часові кордони можуть змінювати дисперсійні властивості хвилеводу, створюючи різні режими розповсюдження на нових частотах.

Експериментування та потенційні застосування

Щоб створити цю часову межу, дослідники спочатку розмістили хвилевід GaAs поверх тонкого металевого шару. Коли терагерцові хвилі проходили по хвилеводу в поперечному магнітному (ТМ) режимі, вони випромінювали світло на голу поверхню GaAs. Результуюче фотозбудження верхньої поверхні миттєво змінило її провідність, фактично перетворивши нижній металізований хвилевід на паралельний подвійно металізований хвилевід. Цей перехід від однієї хвилеводної структури до іншої діяв як тимчасова межа, на якій падаючі ТМ-моди голого хвилеводу поєднуються з поперечною електромагнітною (ТЕМ) модою подвійно металізованого хвилеводу. Враховуючи, що дисперсійна крива моди ТЕМ займає нижчий діапазон частот, ніж крива падаючої ТМ-моди, цей підхід створює терагерцову хвилю зі зміщенням частоти вниз.

Дослідницька група провела експерименти, які остаточно підтвердили їх ретельний теоретичний аналіз запропонованого методу перетворення частоти. Таким чином, результати цього дослідження малюють світле майбутнє для майбутніх технологій терагерцового діапазону. Схвильований результатами, д-р Такано каже: «Пристрої перетворення частоти для терагерцових хвиль мають потенціал для застосування в майбутніх надшвидкісних бездротових комунікаціях. Наприклад, вони можуть увімкнути реплікацію інформації між частотними каналами терагерцового діапазону, що передають різні дані. Також можуть існувати пристрої, де схеми обробки інформації терагерцових хвиль інтегровані з різними компонентами оптичної обробки». Варто відзначити, що підвищення конверсії за допомогою запропонованого підходу також було продемонстровано в «F. Miyamaru et al., Phys. Rev. Lett., 127, 053902 (2021). Крім того, перетворення вгору та вниз можна перемикати шляхом маніпулювання поляризацією вхідних терагерцових хвиль, що допоможе зробити FDM у терагерцовому діапазоні більш зручним.

Крім того, сучасний метод перетворення частоти не обмежується строго хвилеводами терагерцового діапазону і також може мати важливі наслідки в оптиці. «Важливо визнати, що концепція цього дослідження виходить за межі діапазону терагерцових частот і може також бути застосована до діапазону оптичних частот. Пристрої надшвидкого перетворення частоти, що містять оптично модульовані хвилеводи з оксидом індію і олова, також можуть бути можливими, ґрунтуючись на останніх відкриттях», – зауважує доктор Такано.

Подальший розвиток у цій галузі може зрештою призвести до швидшого та енергоефективнішої телекомунікації, допомагаючи нам будувати більш взаємопов’язане та стійке суспільство.