Метаструктуры позволяют использовать ТГц чипы для 6G...

Вместо того, чтобы уменьшать размеры устройств, чтобы добиться более высоких скоростей, Элисон Матиоли из Лаборатории исследований электроники и широкополосной электроники (POWERlab) Инженерной школы EPFL использовала метаструктуры для достижения частот от 200 ГГц до 20 ТГц.

«Появляются новые статьи, описывающие устройства все меньше и меньше, но в случае с материалами из нитрида галлия лучшие устройства с точки зрения частоты уже были опубликованы несколько лет назад», — говорит Матиоли. «После этого действительно нет ничего лучше, потому что по мере уменьшения размера устройства мы сталкиваемся с фундаментальными ограничениями. Это верно независимо от используемого материала».

Метаструктуры вытравливаются и наносятся на субволновые расстояния на полупроводник из нитрида галлия и нитрида индия-галлия. Они позволяют контролировать электрические поля внутри устройства, обеспечивая необычайные свойства, не встречающиеся в природе.

«Мы обнаружили, что манипулирование радиочастотными полями в микроскопических масштабах может значительно повысить производительность электронных устройств, не полагаясь на агрессивное уменьшение масштаба», — сказал исследователь EPFL Самизаде Никоо и первый автор статьи в журнале Nature (см. ниже).

Поскольку терагерцовые частоты слишком высоки для современной электроники и слишком медленны для оптических приложений, этот диапазон часто называют «терагерцовым разрывом». Использование субволновых метаструктур для модуляции терагерцовых волн — это метод, пришедший из мира оптики. Но метод POWERlab допускает электронное управление, в отличие от оптического подхода.

«В нашем подходе, основанном на электронике, возможность управления наведенными радиочастотами достигается за счет комбинации контактов с субволновым рисунком и управления электронным каналом с помощью приложенного напряжения. Это означает, что мы можем изменить коллективный эффект внутри метаустройства, индуцируя электроны (или нет)», — говорит Матиоли.

Метаустройства POWERlab могут достигать частоты 20 ТГц при напряжении пробоя более 20 вольт. Это позволяет передавать и модулировать терагерцовые сигналы с гораздо большей мощностью и частотой, чем это возможно в настоящее время.

«Эта новая технология может изменить будущее сверхскоростной связи, поскольку она совместима с существующими процессами производства полупроводников. Мы продемонстрировали передачу данных со скоростью до 100 гигабит в секунду на терагерцовых частотах, что уже в 10 раз превышает то, что мы имеем сегодня с 5G», — сказал Никоо.

Следующим шагом станет разработка других электронных компонентов, готовых к интеграции в терагерцовые схемы.

Статья находится на сайте www.nature.com/articles/s41586-022-05595-z.

Исследователи из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе также разработали полностью интегрированный терагерцовый (ТГц) гребенчатый/импульсный излучатель и широкополосный гетеродинный приемник с частотной гребенкой для задач измерения и визуализации, которые они предлагают исследовательским лабораториям.

Чипсет изготовлен по 90-нм техпроцессу GlobalFoundries SiGe BiCMOS. В гребенчатом излучателе используется острое обратное восстановление штифтового диода для генерации гребенчатых импульсов ТГц частоты. Частота повторения излучаемых импульсов привязана к стабильному внешнему источнику, который можно регулировать до 15 ГГц.

Благодаря использованию внешнего источника с низким фазовым шумом, а не встроенного генератора, достигается низкий фазовый шум и высокочастотная стабильность. Фазовый шум тона 405 ГГц составляет -82 дБн при частоте смещения 10 кГц, тогда как излучаемые тона характеризуются диапазоном от 220 ГГц до 1,1 ТГц с использованием модулей VDI SAX с измеренной EIRP -11, -15 и -36. дБм на частотах 405, 500 и 750 ГГц соответственно.

Гребенчатый детектор ТГц частоты использует пассивные смесители на диодах с барьером Шоттки в качестве гетеродинного генератора для гетеродинного обнаружения любого произвольного спектра в миллиметровом/ТГц диапазоне путем регулировки шага гребенки от 100 с МГц до 15 ГГц с разрешением 2 Гц.

Чип приемника характеризуется диапазоном частот от 220 до 500 ГГц с измеренным шумом 24,5, 36 и 44 дБ на частотах 270, 405 и 495 ГГц соответственно. Технология двойной гребенки с использованием микросхем излучателя и приемника обеспечивает компактное и недорогое решение для приложений с двойной гребенкой, поскольку микросхемы излучателя и приемника потребляют мощность постоянного тока 40 и 38 мВт соответственно.