Las metaestructuras permiten chips THz para 6G...

En lugar de fabricar dispositivos más pequeños para obtener velocidades más altas, Elison Matioli del Laboratorio de Investigación Electrónica de Energía y Banda Gap Amplia (POWERlab) de la Escuela de Ingeniería de EPFL ha estado utilizando metaestructuras para lograr frecuencias de 200 GHz a 20 THz.

"Aparecen nuevos artículos que describen dispositivos cada vez más pequeños, pero en el caso de los materiales fabricados con nitruro de galio, los mejores dispositivos en términos de frecuencia ya se publicaron hace unos años", afirma Matioli. “Después de eso, realmente no hay nada mejor, porque a medida que se reduce el tamaño del dispositivo, nos enfrentamos a limitaciones fundamentales. Esto es cierto independientemente del material utilizado”.

Las metaestructuras están grabadas y modeladas a distancias inferiores a las longitudes de onda en un semiconductor hecho de nitruro de galio y nitruro de indio y galio. Estos permiten controlar los campos eléctricos dentro del dispositivo, produciendo propiedades extraordinarias que no se dan en la naturaleza.

"Descubrimos que la manipulación de campos de radiofrecuencia a escalas microscópicas puede aumentar significativamente el rendimiento de los dispositivos electrónicos, sin depender de una reducción de escala agresiva", dijo el investigador de la EPFL Samizadeh Nikoo y primer autor de un artículo en Nature (ver más abajo).

Debido a que las frecuencias de terahercios son demasiado rápidas para que las administre la electrónica actual y demasiado lentas para las aplicaciones ópticas, este rango a menudo se denomina "brecha de terahercios". Utilizar metaestructuras por debajo de la longitud de onda para modular ondas de terahercios es una técnica que proviene del mundo de la óptica. Pero el método del POWERlab permite el control electrónico, a diferencia del enfoque óptico.

“En nuestro enfoque basado en la electrónica, la capacidad de controlar las radiofrecuencias inducidas proviene de la combinación de contactos modelados por debajo de la longitud de onda, más el control del canal electrónico con voltaje aplicado. Esto significa que podemos cambiar el efecto colectivo dentro del metadispositivo induciendo electrones (o no)”, dice Matioli.

Los metadispositivos del POWERlab pueden alcanzar los 20 THz con un voltaje de ruptura de más de 20 voltios. Esto permite la transmisión y modulación de señales de terahercios con mucha mayor potencia y frecuencia de lo que es posible actualmente.

“Esta nueva tecnología podría cambiar el futuro de las comunicaciones de ultra alta velocidad, ya que es compatible con los procesos existentes en la fabricación de semiconductores. Hemos demostrado una transmisión de datos de hasta 100 gigabits por segundo en frecuencias de terahercios, que ya es 10 veces mayor que lo que tenemos hoy con 5G”, afirmó Nikoo.

El siguiente paso es desarrollar otros componentes electrónicos listos para integrarse en circuitos de terahercios.

El artículo está en www.nature.com/articles/s41586-022-05595-z

Investigadores de la UCLA en California también han desarrollado un radiador de pulso/peine de terahercios (THz) totalmente integrado y un receptor heterodino de peine de frecuencia de banda ancha para aplicaciones de detección e imágenes que están ofreciendo a los laboratorios de investigación.

El conjunto de chips se fabrica mediante el proceso SiGe BiCMOS de 90 nm de GlobalFoundries. El radiador de peine utiliza una recuperación inversa nítida de diodo pin para generar pulsos/peine de frecuencia de THz. La tasa de repetición de los pulsos radiados está bloqueada en una fuente estable fuera del chip, que se puede ajustar hasta 15 GHz.

Al utilizar una fuente fuera del chip con ruido de fase bajo en lugar de un oscilador en el chip, se logra un ruido de fase bajo y estabilidad de alta frecuencia. El ruido de fase del tono de 405 GHz es de −82 dBc a una frecuencia de compensación de 10 kHz, mientras que los tonos radiados se caracterizan desde 220 GHz hasta 1,1 THz utilizando módulos VDI SAX con una PIRE medida de −11, −15 y −36. dBm a 405, 500 y 750 GHz, respectivamente.

Un detector de peine de frecuencia THz utiliza mezcladores pasivos de diodos de barrera Schottky como oscilador local para la detección heterodina de cualquier espectro arbitrario en la banda mm-wave/THz ajustando el espaciado del peine desde 100 s de MHz hasta 15 GHz con una resolución de 2 Hz.

El chip receptor se caracteriza desde 220 hasta 500 GHz con un NF medido de 24,5, 36 y 44 dB a 270, 405 y 495 GHz, respectivamente. Una técnica de doble peine que utiliza los chips del radiador y del receptor proporciona una solución compacta de bajo costo para aplicaciones de detección de doble peine, ya que los chips del radiador y del receptor consumen una potencia de CC de 40 y 38 mW, respectivamente.

El documento está en ieeexplore.ieee.org/document/9525036