Integrierte photonische Schaltkreise könnten helfen, die «Terahertz-Lücke» zu schliessen
EPFL-Forschende haben in Zusammenarbeit mit Kolleg:innen der ETH Zürich und der Harvard University einen neuen Dünnschicht-Schaltkreis entwickelt, der in Verbindung mit einem Laserstrahl fein abgestimmte Terahertz-Frequenzwellen erzeugt. Das Instrument eröffnet eine Welt potenzieller Anwendungen in der Optik und Telekommunikation.
(Der Artikel wurde zuerst am 12.01.2023 in den EPFL News veröffentlicht)
Forschende unter der Leitung von Cristina Benea-Chelmus im Labor für Hybride Photonik (externe SeiteHYLAB) der EPFL School of Engineering haben einen grossen Schritt in Richtung einer erfolgreichen Nutzung der so genannten Terahertz-Lücke gemacht, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen etwa 300-30'000 Gigahertz (0.3 bis 30 Terahertz) liegt. Dieser Bereich ist derzeit so etwas wie eine technologische Sackgasse. Er beschreibt Frequenzen, die für die heutigen Elektronik- und Telekommunikationsgeräte zu schnell, aber für optische und bildverarbeitende Anwendungen zu langsam sind.
Dank eines extrem dünnen Chips mit einem integrierten photonischen Schaltkreis aus Lithiumniobat ist es den HYLAB-Forschenden und ihren Kolleg:innen der ETH Zürich (Departement Physik) und der Harvard University nun gelungen, nicht nur Terahertz-Wellen zu erzeugen, sondern auch eine Lösung zu entwickeln, mit der sich deren Frequenz, Wellenlänge, Amplitude und Phase individuell anpassen lassen. Diese präzise Kontrolle über die Terahertz-Strahlung bedeutet, dass sie nun potenziell für Anwendungen der nächsten Generation sowohl im elektronischen als auch im optischen Bereich nutzbar gemacht werden kann. Die Ergebnisse wurden kürzlich in externe SeiteNature Communications veröffentlicht.
«Zu sehen, dass die Geräte Strahlung mit den von uns vordefinierten Eigenschaften aussenden, war eine Bestätigung dafür, dass unser Modell richtig war», sagt die Ko-Erstautorin Alexa Herter, die derzeit an der ETH Zürich im Departement Physik im Institut für Quantenelektronik promoviert.
«Dies wurde durch die einzigartigen Eigenschaften der integrierten Photonik aus Lithiumniobat ermöglicht», fügt Amirhassan Shams-Ansari, Postdoktorand an der Harvard University, hinzu.
Alexa Marina Herter
Doktorandin in the Quantum Optoelectronics Gruppe (Jérôme Faist) am D-PHYS
Bei der Verwendung von Freistrahlen wurde bereits gezeigt, dass der nichtlineare Effekt der optischen Gleichrichtung, der den Prozess in der vorliegenden On-Chip-THz-Quelle bestimmt, als Quelle für gequetschtes Licht genutzt wurde. Während meiner Doktorarbeit habe ich die Quantennatur des Lichts im Spektralbereich der THz-Strahlung untersucht. Unser Plan für die Zukunft ist es, die Quantennatur der mit diesen Geräten erzeugten Strahlung zu untersuchen und herauszufinden, wie wir sie kontrollieren können. Ausserdem wollen wir die demonstrierte Plattform um ein THz-Detektionsschema erweitern. Durch die Begrenzung auf einen sehr kleinen Chip wird die Empfindlichkeit stark verbessert. Die Untersuchung von sehr schwachen quantenoptischen Signalen - wie z.B. dem Grundzustand von Licht - könnte sehr viel weniger zeitaufwändig werden, als sie derzeit ist.
Als Co-Autorin war Alexa Herter für die experimentelle Untersuchung und Datenanalyse der an der Harvard University hergestellten Geräte verantwortlich.
Bereit für die Telekommunikation
Benea-Chelmus erklärt, dass solche Terahertz-Wellen zwar schon früher im Labor erzeugt wurden, dass man sich bei früheren Ansätzen aber hauptsächlich auf Massenkristalle verlassen hat, um die richtigen Frequenzen zu erzeugen. Durch die Verwendung des Lithiumniobat-Schaltkreises, der von Mitarbeitenden der Harvard University im Nanometer-Massstab fein geätzt wurde, ist der neuartige Ansatz ihres Labors wesentlich effizienter. Durch die Verwendung eines Siliziumsubstrats ist das Gerät auch für die Integration in elektronische und optische Systeme geeignet.
«Die Erzeugung von Wellen bei sehr hohen Frequenzen ist eine grosse Herausforderung, und es gibt nur wenige Techniken, die sie mit einzigartigen Mustern erzeugen können. Wir sind jetzt in der Lage, die genaue zeitliche Form von Terahertz-Wellen zu erzeugen - im Wesentlichen können wir sagen: ,Ich möchte eine Wellenform, die so aussieht’», erklärt sie.
Um dies zu erreichen, hat das Labor von Benea-Chelmus die Anordnung der Kanäle des Chips, die so genannten Wellenleiter, entworfen, von denen aus mikroskopisch kleine Antennen Terahertz-Wellen ausstrahlen, die durch Licht aus optischen Fasern erzeugt werden.
«Die Tatsache, dass unser Gerät bereits ein optisches Standardsignal nutzt, ist ein echter Vorteil, denn es bedeutet, dass diese neuen Chips mit herkömmlichen Lasern verwendet werden können, die sehr gut funktionieren und sehr gut verstanden werden. Das bedeutet, dass unser Gerät mit der Telekommunikation kompatibel ist», unterstreicht Benea-Chelmus. Sie fügt hinzu, dass miniaturisierte Geräte, die Signale im Terahertz-Bereich senden und empfangen, eine Schlüsselrolle in den Mobilfunksystemen der sechsten Generation (6G) spielen könnten.
In der Welt der Optik sieht Benea-Chelmus ein besonderes Potenzial für miniaturisierte Lithiumniobat-Chips in der Spektroskopie und Bildverarbeitung. Terahertz-Wellen sind nicht nur nicht ionisierend, sondern haben auch eine viel geringere Energie als viele andere Arten von Wellen (wie Röntgenstrahlen), die derzeit verwendet werden, um Informationen über die Zusammensetzung eines Materials zu erhalten - egal ob es sich um einen Knochen oder ein Ölgemälde handelt. Ein kompaktes, zerstörungsfreies Gerät wie der Lithiumniobat-Chip könnte daher eine weniger invasive Alternative zu den derzeitigen spektrographischen Verfahren darstellen.
«Sie könnten sich beispielsweise vorstellen, ein Material, das Sie interessiert, mit Terahertz-Strahlung zu durchleuchten, und diese dann zu analysieren, um die Reaktion des Materials in Abhängigkeit von seiner molekularen Struktur zu messen. Und das alles mit einem Instrument, das kleiner als ein Streichholzkopf ist.»
Jérôme Faist
Leiter der Quanten-Optoelektronik Gruppe am D-PHYS
Die Gruppe Quanten-Optoelektronik der ETH Zürich untersucht die grundlegenden Quanteneigenschaften von Terahertz-Strahlung (THz) mit Hilfe von nichtlinearer Kristallen und ultrakurzer Laserpulsen. Das Doktorarbeite von Alexa Herter befasst sich mit der Quantennatur des Lichts im Spektralbereich der THz-Strahlung. Die Wellenleiter, die im Rahmen der Zusammenarbeit mit Prof. Benea entwickelt und an der ETH gemessen wurden, haben das Potenzial, eine neue Klasse von Experimenten zu ermöglichen, die darauf abzielen, gequetschtes Licht bei Terahertz-Frequenzen zu erzeugen und zu detektieren, da sie die Stärke der nichtlinearen Wechselwirkung erheblich verstärken.
Quanten-Zukunft
Als Nächstes plant Benea-Chelmus, die Eigenschaften der Wellenleiter und Antennen des Chips zu optimieren, um Wellenformen mit grösseren Amplituden, feiner abgestimmten Frequenzen und Abklingraten zu entwickeln. Sie sieht auch die Möglichkeit, dass die in ihrem Labor entwickelte Terahertz-Technologie für Quantenanwendungen nützlich sein könnte.
«Wir sind zum Beispiel daran interessiert herauszufinden, ob wir solche Chips verwenden können, um neue Arten von Quantenstrahlung zu erzeugen, die auf extrem kurzen Zeitskalen manipuliert werden können. Solche Wellen können in der Quantenwissenschaft verwendet werden, um Quantenobjekte zu kontrollieren.»
Literaturhinweis
Herter, A., Shams-Ansari, A., Settembrini, F.F. et al. externe SeiteTerahertz waveform synthesis in integrated thin-film lithium niobate platform. Nat Commun 14, 11 (2023).