Crédito:Photonic and terahertz circuits integrated and tested on a single chip. The generated terahertz radiation is collected by the gold mirror in the back to be used for spectroscopy (or sensing) of different materials. Image Credits: EPFL/Alain Herzog CC BY SA 4.0
Pesquisadores da EPFL e da Universidade de Harvard desenvolveram um único chip capaz de converter pulsos eletromagnéticos entre terahertz e frequências ópticas. Essa abordagem integrada pode abrir caminho para tecnologias avançadas em telecomunicações ultrarrápidas, espectroscopia, telemetria e computação.
A radiação terahertz é uma faixa eletromagnética entre as micro-ondas (como as do Wi-Fi) e a luz infravermelha (usada em lasers e fibras ópticas). Graças aos seus curtos comprimentos de onda, os sinais THz podem transportar grandes quantidades de dados em altas velocidades. No entanto, integrar a radiação THz aos sistemas ópticos e de micro-ondas atuais tem se mostrado um grande desafio.
Design inovador de chip permite geração e detecção de ondas terahertz
Em 2023, cientistas do Laboratório de Fotônica Híbrida criaram um chip de niobato de lítio capaz de gerar ondas THz com um laser. Agora, eles lançaram um novo design que também detecta essas ondas, convertendo sinais THz em sinais ópticos.Essa conversão bidirecional em um chip compacto une os campos THz e óptico, viabilizando tecnologias miniaturizadas para comunicação, sensoriamento, espectroscopia e computação veloz. As descobertas foram publicadas na Nature Communications.
“Detectamos pulsos THz em um chip de niobato de lítio, geramos campos 100 vezes mais fortes e ampliamos a largura de banda de 680 GHz para 3,5 THz”, diz Cristina Benea-Chelmus, líder do Laboratório de Fotônica Híbrida.
Do Radar Terahertz aos Sistemas de Comunicação 6G de Próxima Geração
O aluno de doutorado e autor principal, Yazan Lampert, explica que o avanço da equipe se concentra na incorporação de estruturas microscópicas conhecidas como linhas de transmissão em seu chip fotônico de niobato de lítio. Essas estruturas funcionam como cabos de rádio em miniatura, guiando as ondas THz ao longo do chip. Uma segunda estrutura próxima canaliza sinais ópticos, permitindo interação e conversão eficientes entre ondas THz e ópticas com perda mínima de energia.
“Nosso design de circuito compacto nos permite manipular pulsos ópticos e THz no mesmo chip. Essa integração de circuitos fotônicos e THz proporciona uma largura de banda recorde em um único dispositivo“, afirma Lampert.Engenheiros poderiam aproveitar os sinais de banda larga em THz gerados pelo chip híbrido para radares de terahertz, usando pulsos ultracurtos para medir distâncias de objetos com precisão milimétrica. Seu design compacto e de baixo consumo de energia também o torna compatível com componentes fotônicos atuais, como lasers, moduladores e detectores. Os pesquisadores agora estão trabalhando para miniaturizar completamente o chip para suportar futuras tecnologias de comunicação e alcance, incluindo aquelas usadas em veículos autônomos.
Niobato de lítio em película fina expande-se para a promissora fronteira dos terahertz, afirma coautor
Amirhassan Shams-Ansari, coautor do estudo e agora Engenheiro Principal de Laser na DRS Daylight Solutions (anteriormente pesquisador de pós-doutorado na Universidade de Harvard), observa: “O niobato de lítio em película fina emergiu como uma plataforma poderosa para fotônica integrada, abrindo caminho para uma nova geração de dispositivos e aplicações. É emocionante testemunhar essa tecnologia se expandindo para o promissor, mas amplamente inexplorado, domínio dos terahertz.”
Cristina Benea-Chelmus acrescenta: “Esperamos que os princípios de design que apresentamos desempenhem um papel vital nas futuras tecnologias de terahertz, particularmente nas redes 6G de próxima geração, onde a detecção e o alcance serão essenciais para a infraestrutura de comunicação”. 
