Le metastrutture abilitano chip THz per 6G...

Invece di rendere i dispositivi più piccoli per ottenere velocità più elevate, Elison Matioli del Power and Wide-band-gap Electronics Research Lab (POWERlab) presso la School of Engineering dell'EPFL ha utilizzato metastrutture per raggiungere frequenze da 200 GHz a 20 THz.

"Escono nuovi documenti che descrivono dispositivi sempre più piccoli, ma nel caso dei materiali realizzati con nitruro di gallio, i migliori dispositivi in ​​termini di frequenza erano già stati pubblicati alcuni anni fa", afferma Matioli. “Dopodiché non c’è davvero niente di meglio, perché man mano che le dimensioni del dispositivo si riducono, ci troviamo di fronte a limitazioni fondamentali. Questo vale indipendentemente dal materiale utilizzato”.

Le metastrutture sono incise e modellate a distanze inferiori alla lunghezza d'onda su un semiconduttore costituito da nitruro di gallio e nitruro di gallio indio. Questi consentono di controllare i campi elettrici all'interno del dispositivo, ottenendo proprietà straordinarie che non si verificano in natura.

"Abbiamo scoperto che la manipolazione dei campi di radiofrequenza su scala microscopica può aumentare significativamente le prestazioni dei dispositivi elettronici, senza fare affidamento su un downscaling aggressivo", ha affermato il ricercatore dell'EPFL Samizadeh Nikoo e primo autore di un articolo su Nature (vedi sotto).

Poiché le frequenze terahertz sono troppo veloci per essere gestite dall'elettronica attuale e troppo lente per le applicazioni ottiche, questo intervallo viene spesso definito "gap terahertz". Usare metastrutture sub-lunghezza d'onda per modulare le onde terahertz è una tecnica che arriva dal mondo dell'ottica. Ma il metodo POWERlab consente il controllo elettronico, a differenza dell'approccio ottico.

“Nel nostro approccio basato sull’elettronica, la capacità di controllare le radiofrequenze indotte deriva dalla combinazione di contatti modellati sub-lunghezza d’onda, oltre al controllo del canale elettronico con la tensione applicata. Ciò significa che possiamo modificare l’effetto collettivo all’interno del metadispositivo inducendo elettroni (o meno)”, afferma Matioli.

I metadispositivi del POWERlab possono raggiungere i 20 THz con una tensione di rottura di oltre 20 volt. Ciò consente la trasmissione e la modulazione di segnali terahertz con potenza e frequenza molto maggiori di quanto sia attualmente possibile.

“Questa nuova tecnologia potrebbe cambiare il futuro delle comunicazioni ad altissima velocità, poiché è compatibile con i processi esistenti nella produzione di semiconduttori. Abbiamo dimostrato una trasmissione dati fino a 100 gigabit al secondo a frequenze terahertz, che è già 10 volte superiore a quella che abbiamo oggi con il 5G”, ha affermato Nikoo.

Il prossimo passo è sviluppare altri componenti elettronici pronti per l'integrazione nei circuiti terahertz.

Il documento è su www.nature.com/articles/s41586-022-05595-z

I ricercatori dell'UCLA in California hanno anche sviluppato un radiatore a pettine/impulsi terahertz (THz) completamente integrato e un ricevitore eterodina a pettine di frequenza a banda larga per applicazioni di rilevamento e imaging che stanno offrendo ai laboratori di ricerca.

Il chipset è fabbricato nel processo SiGe BiCMOS da 90 nm di GlobalFoundries. Il radiatore a pettine utilizza il recupero inverso acuto del diodo pin per generare impulsi/pettine di frequenza THz. La frequenza di ripetizione degli impulsi irradiati è bloccata su una sorgente stabile off-chip, che può essere regolata fino a 15 GHz.

Utilizzando una sorgente off-chip a basso rumore di fase anziché un oscillatore su chip, si ottengono un basso rumore di fase e stabilità ad alta frequenza. Il rumore di fase del tono a 405 GHz è −82 dBc a una frequenza di offset di 10 kHz mentre i toni irradiati sono caratterizzati da 220 GHz fino a 1,1 THz utilizzando moduli VDI SAX con EIRP misurato di −11, −15 e −36 dBm rispettivamente a 405, 500 e 750 GHz.

Un rilevatore a pettine di frequenza THz utilizza un mixer passivo con diodo a barriera Schottky come oscillatore locale per il rilevamento eterodina di qualsiasi spettro arbitrario nella banda di onde mm/THz regolando la spaziatura del pettine da 100 s di MHz fino a 15 GHz con una risoluzione di 2 Hz.

Il chip del ricevitore è caratterizzato da 220 fino a 500 GHz con NF misurato di 24,5, 36 e 44 dB a 270, 405 e 495 GHz, rispettivamente. Una tecnica a doppio pettine che utilizza i chip del radiatore e del ricevitore fornisce una soluzione compatta a basso costo per applicazioni di rilevamento a doppio pettine poiché i chip del radiatore e del ricevitore consumano rispettivamente una potenza CC di 40 e 38 mW.