Một chip lai quang học-terahertz dành cho truyền thông và cảm biến.

Bức xạ Terahertz mô tả một dải sóng trên phổ điện từ có tần số cao hơn sóng vi ba (được sử dụng trong các công nghệ viễn thông như Wi-Fi) nhưng thấp hơn ánh sáng hồng ngoại (được sử dụng trong laser và cáp quang). Bước sóng ngắn của chúng có nghĩa là tín hiệu terahertz (THz) có thể truyền lượng dữ liệu lớn rất nhanh, nhưng việc kết nối bức xạ THz với các công nghệ quang học và vi sóng hiện có lại vô cùng khó khăn.

Năm 2023, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quang tử lai đã tiến thêm một bước gần hơn đến việc thu hẹp khoảng cách này khi họ tạo ra một chip quang tử cực mỏng làm từ lithium niobate, khi được kết nối với chùm tia laser, tạo ra sóng THz có thể điều chỉnh chính xác. Giờ đây, nhóm nghiên cứu đã báo cáo một thiết kế mới không chỉ tạo ra sóng THz mà còn phát hiện cả sóng đến bằng cách chuyển đổi chúng thành tín hiệu quang học.

Việc chuyển đổi hai chiều trên một nền tảng thu nhỏ duy nhất này là một bước thiết yếu hướng tới việc kết nối lĩnh vực THz và quang học, đồng thời có thể cho phép phát triển các thiết bị nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng cho truyền thông, cảm biến, quang phổ và tính toán. Nghiên cứu này đã được công bố trên tạp chí Nature Communications.

“Ngoài việc chứng minh lần đầu tiên phát hiện được xung THz trên chip mạch quang tử niobat lithi, chúng tôi còn tạo ra điện trường THz mạnh hơn hơn 100 lần và tăng băng thông lên gấp năm lần (từ 680 GHz lên 3,5 THz)”, Cristina Benea-Chelmus, trưởng phòng thí nghiệm Quang tử lai, cho biết.

Từ radar terahertz đến truyền thông 6G

Nghiên cứu sinh tiến sĩ và tác giả chính Yazan Lampert giải thích rằng thiết kế đột phá của nhóm tập trung vào việc nhúng các cấu trúc kích thước micromet gọi là đường truyền vào chip quang tử lithium niobate của họ. Những đường này hoạt động như các cáp radio thu nhỏ để dẫn sóng THz dọc theo chip. Bằng cách đặt một cấu trúc thứ hai gần đó để dẫn sóng quang (ánh sáng), các nhà khoa học đã tăng cường sự tương tác và chuyển đổi giữa hai loại sóng với tổn thất năng lượng tối thiểu.

Chúng tôi dự đoán rằng các nguyên tắc thiết kế mà chúng tôi đề xuất sẽ trở nên vô cùng quan trọng trong các ứng dụng terahertz tương lai như truyền thông 6G tốc độ cao, nơi cảm biến và đo khoảng cách sẽ là một thành phần thiết yếu của mạng truyền thông.

“Chúng tôi có thể điều khiển cả xung quang học và xung THz trên cùng một nền tảng chỉ đơn giản thông qua thiết kế mạch thu nhỏ của mình. Phương pháp của chúng tôi kết hợp các mạch quang học và mạch THz trên một thiết bị duy nhất với băng thông chưa từng có,” Lampert nói.

Ví dụ, tín hiệu THz băng thông rộng do thiết bị lai tạo ra có thể được sử dụng để phát triển radar dựa trên terahertz, trong đó các xung THz cực ngắn có thể được sử dụng để ước tính khoảng cách (đo khoảng cách) của một vật thể trong phạm vi một milimét. Nhờ thiết kế nhỏ gọn và tiết kiệm năng lượng, chip này cũng tương thích với các công nghệ quang tử hiện có như laser, bộ điều biến ánh sáng và bộ dò. Nhóm nghiên cứu hiện đang nỗ lực thu nhỏ hoàn toàn thiết kế chip để cho phép tích hợp liền mạch vào thế hệ tiếp theo của các hệ thống truyền thông và đo khoảng cách, chẳng hạn như những hệ thống được sử dụng trong ô tô tự lái.

Amirhassan Shams-Ansari, đồng tác giả chính của công trình này và hiện là Kỹ sư Laser chính tại DRS Daylight Solutions (trước đây là nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Đại học Harvard), nhận xét: “Lithium niobat màng mỏng đã chứng tỏ là một nền tảng mạnh mẽ cho quang học tích hợp, cho phép tạo ra thế hệ ứng dụng và thiết bị mới. Thật sự rất thú vị khi thấy công nghệ này tiến vào lĩnh vực THz đầy hứa hẹn nhưng vẫn chưa được khám phá hết.”

“Chúng tôi dự đoán rằng các nguyên tắc thiết kế mà chúng tôi đề xuất sẽ trở nên rất quan trọng trong các ứng dụng terahertz trong tương lai, chẳng hạn như truyền thông 6G tốc độ cao, nơi cảm biến và đo khoảng cách sẽ là một thành phần thiết yếu của mạng truyền thông,” Benea-Chelmus nói.