מהיר מתמיד: פריצת דרך בטכנולוגיית Terahertz מבטיחה העברת נתונים מהירה יותר

גישה חדשנית מקדמת את טכנולוגיית terahertz, ומאפשרת העברת נתונים מהירה יותר ואימוץ רחב יותר.

לטכנולוגיית Terahertz יש פוטנציאל לתת מענה לצורך הגובר בקצבי העברת נתונים מהירים יותר, אך המרת אותות Terahertz לתדרים נמוכים שונים נותרה אתגר. לאחרונה, חוקרים יפנים המציאו גישה חדשה להמרה של אותות טרה-הרץ למעלה ולמטה בתוך מוליך גל. זה מושג על ידי שינוי דינמי של מוליכות מוליך הגל באמצעות אור, ובכך ליצור גבול זמני. פריצת הדרך שלהם עשויה להוביל להתקדמות בתחום האלקטרוניקה האופטו ולשיפור יעילות הטלקומוניקציה.

ככל שאנו צוללים עמוק יותר לתוך עידן המידע, הדרישה להעברת נתונים מהירה יותר ממשיכה להמריא, ומודגשת על ידי התקדמות מהירה בתחומים כמו למידה עמוקה ורובוטיקה. על רקע זה, יותר ויותר מדענים בוחנים את הפוטנציאל של שימוש בגלי טרה-הרץ לפיתוח טכנולוגיות תקשורת מהירות.

עם זאת, כדי להשתמש בפס ה-terahertz ביעילות, אנו זקוקים לטכניקות ריבוי חלוקת תדרים (FDM) להעברת אותות מרובים בו-זמנית. כמובן, היכולת להמיר למעלה או למטה את התדר של אות טרה-הרץ לתדר שרירותי אחר הוא תנאי מוקדם לוגי ל-FDM. זה למרבה הצער הוכיח את עצמו כקשה למדי עם הטכנולוגיות הנוכחיות. הבעיה העיקרית היא שגלי טרה-הרץ הם גלים בתדר גבוה במיוחד מנקודת המבט של אלקטרוניקה קונבנציונלית ואור בעל אנרגיה נמוכה מאוד בהקשר של אופטיקה, החורגים מהיכולות של רוב המכשירים והתצורות בשני התחומים. לכן, תידרש גישה שונה בתכלית כדי להתגבר על המגבלות הנוכחיות.

פתרון חדשני להמרת תדרים

באופן מפתיע, במחקר שפורסם לאחרונה ב ננופוטוניקה ב-20 במאי 2024, צוות מחקר הכולל פרופסור עוזר קייסוקה טאקאנו מהפקולטה למדע, אוניברסיטת שינשו, יפן, דיווח על פתרון חדשני להמרת התדר של גלי טרה-הרץ. את המאמר שלהם כתבו Fumiaki Miyamaru מאוניברסיטת Shinhu, Toshihiro Nakanishi מאוניברסיטת קיוטו, Yosuke Nakata מאוניברסיטת אוסקה, וג'ואל פרז-Urquizo, Julien Madéo, וקשב מ. Dani ממכון אוקינאווה למדע וטכנולוגיה.

האסטרטגיה המוצעת מבוססת על המרות התדירות המתרחשות במערכות משתנות זמן. בדומה שמוליך גלים מגביל חבילת גלים נעה בחלל, יש מושג מקביל המתרחש בזמן המכונה הנחיית גלים זמנית. במילים פשוטות, שינויים המתרחשים על פני מערכת שלמה לאורך זמן יפעלו כ"גבול זמני". בדומה לגבולות מרחביים (למשל, הממשק בין שני מדיומים שונים), גבולות זמניים יכולים לשנות את תכונות הפיזור של מוליך הגל, ולגרום למצבי התפשטות שונים בתדרים חדשים.

ניסויים ויישומים פוטנציאליים

כדי ליצור את הגבול הזמני הזה, החוקרים הניחו תחילה מוליך גל GaAs על שכבה מתכתית דקה. כאשר גלי טרה-הרץ נעו דרך מוליך הגל במצב מגנטי רוחבי (TM), הם האירו אור על משטח ה-GaAs החשוף. התעוררות הפוטו שהתקבלה של המשטח העליון שינתה באופן מיידי את המוליכות שלו, והפכה למעשה את מוליך הגל המתכתי התחתון למוביל גל מתכתי מקבילי. מעבר זה ממבנה מוליך גל אחד למשנהו פעל כגבול הזמני, שבו מצבי ה-TM הנכנסים של מוליך הגל החשוף יחד עם המצב האלקטרומגנטי הרוחבי (TEM) של מוליך הגל הכפול-מתכתי. בהתחשב בכך שעקומת הפיזור של מצב TEM תופסת טווח תדרים נמוך יותר מזה של מצב TM incident, גישה זו מייצרת גל טרה-הרץ שהולך למטה בתדר.

צוות המחקר ערך ניסויים שבסופו של דבר אימתו את הניתוח התיאורטי היסודי שלהם של שיטת המרת התדר המוצעת. לפיכך, הממצאים של מחקר זה מציירים עתיד מזהיר לטכנולוגיית טרה-הרץ הקרובה. נרגש מהתוצאות, אומר ד"ר טקאנו: "להתקני המרת תדרים לגלי טרה-הרץ יש פוטנציאל ליישום בתקשורת אלחוטית עתידית במהירות גבוהה במיוחד. לדוגמה, הם יכולים לאפשר שכפול מידע בין ערוצי תדר גלי טרה-הרץ הנושאים נתונים שונים. ייתכנו גם מכשירים שבהם מעגלי עיבוד מידע בגל טרה-הרץ משולבים עם רכיבי עיבוד אופטיים שונים". ראוי לציין, המרה למעלה באמצעות הגישה המוצעת הוכחה גם ב"F. מיאמארו et al., פיזי. ר' לט., 127, 053902 (2021)." יתרה מכך, ניתן לשנות את ההמרה למעלה ולמטה על ידי מניפולציה של הקיטוב של גלי הטר-הרץ המבוא, מה שיעזור להפוך את ה-FDM בטווח הטרה-הרץ לנוח יותר.

בנוסף לכך, שיטת המרת התדר הנוכחית אינה מוגבלת אך ורק למובילי גל טרה-הרץ ויכולות להיות לה השלכות חשובות באופטיקה. "חשוב להכיר בכך שהתפיסה של מחקר זה משתרעת מעבר לטווח התדרים של טרה-הרץ וניתן ליישם אותו גם בטווח התדרים האופטי. התקני המרת תדרים מהירים במיוחד הכוללים מוליכי גל מווסתים אופטית עם תחמוצת בדיל אינדיום עשויים גם להיות אפשריים, בהתבסס על הממצאים האחרונים" מעיר ד"ר טקאנו.

פיתוחים נוספים בתחום זה עשויים להוביל בסופו של דבר לטלקומוניקציה מהירה וחסכונית יותר באנרגיה, לעזור לנו לבנות חברה יותר מקושרת ובת קיימא.

מימון: החברה היפנית לקידום המדע, JST PRESTO, מחקר מקדים למדע וטכנולוגיה עובריים, אוניברסיטת אוקינאווה למדע וטכנולוגיה לתואר שני, קרן Takano Gakujutsu-Shinko-Zaidan