Integrierte photonische Schaltkreise zur Überbrückung der "Terahertz-Lücke".

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Alain Herzog
Alain Herzog

Forscherinnen und Forscher der EPFL haben in Zusammenarbeit mit der Harvard University und der ETH Zürich einen neuen Dünnfilmschaltkreis entwickelt, der präzise anpassbare Terahertz-Frequenzwellen erzeugt, wenn er mit einem Laserstrahl verbunden wird. Dieses Bauelement eröffnet ein Universum potenzieller Anwendungen in der Optik und der Telekommunikation.

Unter der Leitung von Cristina Benea-Chelmus haben Wissenschaftler des Laboratoriums für Hybrid-Photonik ( HYLAB ) der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und Technik der EPFL einen großen Schritt zur erfolgreichen Nutzung der Terahertz-Lücke gemacht, die zwischen 300 und 30 000 Gigahertz (0,3 bis 30 THz) im elektromagnetischen Spektrum liegt. Dieser Bereich ist derzeit eine Art technologische Todeszone und beschreibt Frequenzen, die für die heutigen Elektronik- und Telekommunikationsgeräte zu schnell, für optische und bildgebende Anwendungen jedoch zu langsam sind.

Dank eines extrem dünnen Chips mit einer integrierten photonischen Schaltung aus Lithiumniobat ist es den Forscherinnen und Forschern des HYLAB in Zusammenarbeit mit Kollegen der Harvard University und der ETHZ nun gelungen, nicht nur Terahertz-Wellen zu erzeugen, sondern auch eine Lösung zu entwickeln, mit der sich deren Frequenz, Wellenlänge, Amplitude und Phase anpassen lassen. Eine derart präzise Kontrolle der Terahertz-Strahlung bedeutet, dass sie nun für Anwendungen der nächsten Generation in der Elektronik und Optik genutzt werden kann. Die Ergebnisse wurden kürzlich in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

"Zu sehen, wie die Geräte Strahlung mit den von uns vordefinierten Eigenschaften aussenden, hat uns bestätigt, dass unser Modell richtig war", erklärt Alexa Herter, Doktorandin an der ETH Zürich und Co-Erstautorin des Artikels.

"Dies wurde durch die einzigartigen Eigenschaften der integrierten Lithium-Niobat-Photonik ermöglicht", fügt Co-Erstautor Amirhassan Shams-Ansari, Postdoktorand an der Harvard University, hinzu.

Kompatibilität mit der Telekommunikation

Cristina Benea-Chelmus erklärt, dass solche Terahertz-Wellen zwar bereits im Labor erzeugt wurden, frühere Ansätze aber hauptsächlich auf Massenkristalle angewiesen waren, um die richtigen Frequenzen zu erzeugen. Die Verwendung des Lithiumniobat-Schaltkreises durch sein Labor, der von Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern der Harvard-Universität im Nanobereich fein geätzt wurde, macht ihren neuen Ansatz viel rationeller. Die Verwendung eines Siliziumsubstrats ermöglicht außerdem die Integration des Bauelements in elektronische und optische Systeme.

"Es ist extrem schwierig, sehr hochfrequente Wellen zu erzeugen, und es gibt nur sehr wenige Techniken, um sie mit einzigartigen Mustern zu erzeugen. Ich möchte eine Wellenform, die so aussieht", sagt sie.

Um dies zu erreichen, hat das Labor von Cristina Benea-Chelmus die Anordnung der Kanäle auf dem Chip, die sogenannten Wellenleiter, entworfen, von denen aus mikroskopisch kleine Antennen Terahertz-Wellen streuen, die durch das Licht der Glasfasern erzeugt werden.

"Die Tatsache, dass unser Gerät bereits ein optisches Standardsignal verwendet, ist wirklich ein Vorteil, denn das bedeutet, dass diese neuen Chips mit herkömmlichen Lasern verwendet werden können, die sehr gut funktionieren und vollkommen verstanden werden. Mit anderen Worten, unser Gerät ist mit der Telekommunikation kompatibel", betont Cristina Benea-Chelmus. Sie fügt hinzu, dass miniaturisierte Geräte, die Signale im Terahertz-Bereich senden und empfangen, eine Schlüsselrolle in den Mobilfunksystemen der sechsten Generation (6G) spielen könnten.

Im optischen Bereich sieht Cristina Benea-Chelmus ein besonderes Potenzial für miniaturisierte Chips aus Lithiumniobat in der Spektroskopie und Bildgebung. Terahertz-Wellen sind nicht nur nicht ionisierend, sondern auch viel energieärmer als viele andere Wellenarten (z. B. Röntgenstrahlen), die derzeit verwendet werden, um Informationen über die Zusammensetzung eines Materials zu liefern, sei es ein Knochen oder ein Ölgemälde. Ein kompaktes, zerstörungsfreies Gerät wie der Lithium-Niobat-Chip könnte daher eine weniger invasive Alternative zu den derzeitigen spektrografischen Techniken darstellen.

"Man kann sich vorstellen, Terahertz-Strahlung durch ein Material zu schicken, das uns interessiert, und sie zu analysieren, um die Reaktion des Materials zu messen, abhängig von seiner Molekularstruktur. All das von einem Gerät aus, das kleiner ist als ein Streichholzkopf."

Die Quantenzukunft

Als Nächstes plant Cristina Benea-Chelmus, sich mit der Veränderung der Eigenschaften der Wellenleiter und Antennen auf dem Chip zu befassen, um Wellenformen mit größeren Amplituden sowie präziseren Frequenzen und Abklingraten zu erzeugen. Sie ist der Ansicht, dass die in ihrem Labor entwickelte Terahertz-Technologie auch für Quantenanwendungen nützlich sein könnte.

"Es gibt viele grundlegende Fragen, die wir noch klären müssen. Wir wollen zum Beispiel herausfinden, ob wir diese Chips nutzen können, um neue Arten von Quantenstrahlung zu erzeugen, die auf extrem kurzen Zeitskalen manipuliert werden können. In der Quantenwissenschaft könnten solche Wellen zur Steuerung von Quantenobjekten verwendet werden".

Referenzen

Herter, A., Shams-Ansari, A., Settembrini, F.F. et al. Terahertz waveform synthesis in integrated thin-film lithium niobate platform. Nat Commun 14, 11 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467­’022 -35517-6.