Laboratorium Kepala Photonics Hybrid Cristina Benea-Chelmus dan kandidat PhD Yazan Lampert.
Para peneliti di EPFL dan Universitas Harvard telah merekayasa chip yang dapat dikonversi antara pulsa elektromagnetik di terahertz dan rentang optik pada perangkat yang sama. Desain terintegrasi mereka dapat memungkinkan pengembangan perangkat untuk telekomunikasi ultrafast, mulai, spektroskopi, dan komputasi.
Radiasi terahertz menggambarkan pita gelombang pada spektrum elektromagnetik dengan frekuensi lebih tinggi dari gelombang mikro (yang digunakan dalam teknologi telekomunikasi seperti Wi-Fi) tetapi lebih rendah dari cahaya inframerah (digunakan dalam laser dan serat optik). Panjang gelombang pendek mereka berarti bahwa sinyal terahertz (THZ) dapat mengirimkan sejumlah besar data dengan sangat cepat tetapi menghubungkan radiasi THZ ke teknologi optik dan microwave yang ada sangat menantang.
Pada tahun 2023, para peneliti di Laboratory of Hybrid Photonics datang selangkah lebih dekat untuk menjembatani celah ini ketika mereka menciptakan chip fotonik yang sangat tipis yang terbuat dari lithium niobate yang, ketika terhubung ke balok laser, menghasilkan gelombang THZ yang dapat disesuaikan dengan halus. Sekarang, tim telah melaporkan desain baru yang tidak hanya menghasilkan gelombang tetapi juga mendeteksi yang masuk dengan mengubahnya menjadi sinyal optik.
Konversi dua arah ini pada satu platform miniatur adalah langkah penting menuju menjembatani Domain THZ dan optik dan dapat memungkinkan pengembangan perangkat yang ringkas dan hemat daya untuk komunikasi, penginderaan, spektroskopi, dan komputasi. Penelitian telah diterbitkan di Komunikasi Alam.
“Selain menunjukkan deteksi pertama pulsa THz pada chip sirkuit fotonik lithium niobate, kami menghasilkan medan listrik THZ lebih dari 100 kali lebih kuat dan meningkatkan bandwidth dengan faktor lima (beralih dari 680 GHz menjadi 3,5 THz),” kata Cristina Benea-Chelmus, kepala laboratorium photon hybrid.
Dari radar terahertz ke komunikasi 6G
Kandidat PhD dan penulis pertama Yazan Lampert menjelaskan bahwa desain inovatif tim berpusat pada menanamkan struktur berukuran mikron yang disebut jalur transmisi ke dalam chip fotonik lithium niobate mereka. Garis-garis ini bertindak seperti kabel radio skala chip untuk memandu gelombang THz di sepanjang chip. Dengan menempatkan struktur kedua di dekatnya untuk memandu gelombang optik (cahaya), para ilmuwan meningkatkan interaksi dan konversi antara keduanya dengan kehilangan energi minimal.
Kami mengantisipasi bahwa pedoman desain yang kami usulkan akan menjadi penting dalam aplikasi terahertz di masa depan seperti komunikasi 6G berkecepatan tinggi, di mana penginderaan dan pengarahan akan menjadi komponen penting dari jaringan komunikasi.
Sirkuit fotonik dan terahertz terintegrasi dan diuji pada satu chip. Radiasi terahertz yang dihasilkan dikumpulkan oleh cermin emas di bagian belakang untuk digunakan untuk spektroskopi (atau penginderaan) dari bahan yang berbeda.
EPFL Profesor Cristina Benea-Chelmus
“Kami dapat mengontrol pulsa optik dan THz pada platform yang sama hanya melalui desain sirkuit miniatur kami. Pendekatan kami menggabungkan sirkuit fotonik dan sirkuit THZ pada satu perangkat dengan bandwidth yang belum pernah terjadi sebelumnya,” kata Lampert.
Sinyal broadband THZ yang dihasilkan oleh perangkat hybrid misalnya dapat digunakan untuk mengembangkan radar berbasis terahertz, di mana pulsa THZ yang sangat pendek dapat digunakan untuk memperkirakan jarak objek (berkisar) dalam satu milimeter. Berkat desainnya yang ringkas dan hemat energi, chip ini juga kompatibel dengan teknologi fotonik yang ada seperti laser, modulator ringan, dan detektor. Tim sudah bekerja sepenuhnya miniatur desain chip untuk memungkinkan integrasi yang mulus ke dalam generasi komunikasi dan sistem rentang, seperti yang digunakan dalam mobil self-driving.
Amirhassan Shams-Ansari, penulis pertama dari karya ini dan saat ini seorang insinyur laser utama di Drs Daylight Solutions (sebelumnya seorang peneliti postdoctoral di Universitas Harvard), komentar: “Lithium niobate film tipis telah terbukti menjadi platform yang kuat untuk fotonik terintegrasi, memungkinkan generasi baru aplikasi dan perangkat. Sungguh menyenangkan melihat teknologi ini maju ke dalam domain THZ yang sangat menjanjikan namun tidak terekspiring.”
“Kami mengantisipasi bahwa pedoman desain yang kami usulkan akan menjadi sangat penting dalam aplikasi terahertz di masa depan seperti komunikasi 6G berkecepatan tinggi, di mana penginderaan dan pengarahan akan menjadi komponen penting dari jaringan komunikasi,” kata Bunga-Chelmus.
Cristina Benea-Chelmus dan Yazan Lampert. 2025 EPFL Alain Herzog CC oleh SA 4.0
Sirkuit fotonik dan terahertz terintegrasi dan diuji pada satu chip. Alain Herzog CC oleh SA 4.0
