Photonische Schaltungen, um «Terahertz-Lücke» zu schliessen

Forscherinnen und Forscher um Cristina Benea-Chelmus vom Labor für hybride Photonik (HYLAB) der EPFL-Fakultät für Ingenieurwissenschaft und Technologie haben einen grossen Schritt zur erfolgreichen Nutzung der so genannten Terahertz-Lücke getan, die im elektromagnetischen Spektrum zwischen 300 und 30 000 Gigahertz (0,3 bis 30 THz) liegt. Dieser Bereich ist derzeit so etwas wie eine technologische Sackgasse, denn er beschreibt Frequenzen, die für die heutigen Elektronik- und Telekommunikationsgeräte zu schnell, aber für optische und bildgebende Anwendungen zu langsam sind.

Dank eines extrem dünnen Chips mit integriertem photonischen Schaltkreis aus Lithiumniobat ist es den Forschenden des HYLAB, der ETH Zürich 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 massschneidern 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 Nature Communications veröffentlicht.

«Zu sehen, dass die Geräte Strahlung mit den von uns vordefinierten Eigenschaften aussenden, war eine Bestätigung dafür, dass unser Modell korrekt war», sagt die Erstautorin Alexa Herter, die derzeit als Doktorandin an der ETH Zürich arbeitet.

«Dies wurde durch die einzigartigen Eigenschaften der integrierten Photonik aus Lithiumniobat ermöglicht», fügt Amirhassan Shams-Ansari, Postdoktorand an der Harvard University, hinzu.

Telekommunikationsfähig

Benea-Chelmus erklärt, dass derartige Terahertz-Wellen zwar schon früher im Labor erzeugt wurden, dass man sich bei früheren Ansätzen aber hauptsächlich auf Massenkristalle stützte, um die richtigen Frequenzen zu erzeugen. Durch die Verwendung des Lithiumniobat-Schaltkreises, der von Mitarbeitenden der Harvard University im Nanometerbereich fein geätzt wurde, ist der neuartige Ansatz ihres Labors wesentlich effizienter. Durch die Verwendung eines Siliziumsubstrats eignet sich das Gerät auch für die Integration in elektronische und optische Systeme.

«Die Erzeugung von Wellen mit sehr hohen Frequenzen ist eine grosse Herausforderung, und es gibt nur sehr wenige Techniken, die sie mit einzigartigen Mustern erzeugen können. Wir sind jetzt in der Lage, die genaue zeitliche Form von Terahertz-Wellen zu entwickeln – 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 Glasfasern erzeugt werden.

«Die Tatsache, dass unser Gerät bereits ein optisches Standardsignal nutzt, ist ein echter Vorteil, denn das 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 Bildgebung. 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 Lithium-Niobat-Chip könnte daher eine weniger invasive Alternative zu den derzeitigen spektrographischen Verfahren darstellen.

«Man kann sich vorstellen, dass man Terahertz-Strahlung durch ein Material schickt, das einen interessiert, und sie analysiert, um die Reaktion des Materials in Abhängigkeit von seiner Molekularstruktur zu messen. Und das alles mit einem Gerät, das kleiner als ein Streichholzkopf ist.»

Quantum Zukunft

Als Nächstes plant Benea-Chelmus, die Eigenschaften der Wellenleiter und Antennen des Chips zu optimieren, um Wellenformen mit grösseren Amplituden und feiner abgestimmten Frequenzen und Abklingraten zu erzeugen. Sie sieht auch die Möglichkeit, dass die in ihrem Labor entwickelte Terahertz-Technologie für Quantenanwendungen genutzt werden kann.

«Wir sind zum Beispiel daran interessiert, ob wir mit solchen Chips neue Arten von Quantenstrahlung erzeugen können, die sich auf extrem kurzen Zeitskalen manipulieren lassen. Solche Wellen können in der Quantenwissenschaft zur Steuerung von Quantenobjekten verwendet werden.»