Ein hybrider Photonen-Terahertz-Chip für Kommunikation und Sensorik
Forschende von EPFL und Harvard haben ein integriertes Design entwickelt, das ultraschnelle Telekommunikation, Entfernungsmessung, Spektroskopie und Datenverarbeitung ermöglicht.
Im Jahr 2023 kamen Forscher des EPFL-Labors für Hybridphotonik der Überbrückung der Lücke zwischen Terahertz-Strahlung und bestehenden optischen und Mikrowellen-Technologien einen Schritt näher, als sie einen extrem dünnen photonischen Chip aus Lithiumniobat herstellten, der, wenn er an einen Laserstrahl angeschlossen wird, fein abstimmbare THz-Wellen erzeugt. Jetzt hat das Team ein neuartiges Design vorgestellt, das nicht nur THz-Wellen erzeugt, sondern auch eintreffende Wellen erkennt, indem es sie in optische Signale umwandelt. Diese bidirektionale Umwandlung auf einer einzigen, miniaturisierten Plattform ist ein wesentlicher Schritt zum Brückenbau zwischen THz- und dem optischen Bereich und könnte die Entwicklung kompakter und energieeffizienter Geräte für Kommunikation, Sensorik, Spektroskopie und Computertechnik ermöglichen.
„Wir haben nicht nur den ersten Nachweis von THz-Pulsen auf einem Lithium-Niobat-Chip mit photonischen Schaltkreisen erbracht, sondern auch elektrische THz-Felder erzeugt, die mehr als hundert Mal stärker sind, und die Bandbreite um den Faktor fünf erhöht, von 680 GHz auf 3,5 THz“, sagt Cristina Benea-Chelmus, Professorin an der EPFL und Leiterin des Labors für Hybridphotonik.
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Yazan Lampert erklärt, dass sich das innovative Design des Teams auf die Einbettung mikrometergroßer Strukturen, der Transmision Lines, in ihren Lithiumniobat-Photonikchip konzentriert. Diese Leitungen wirken wie Kabel in Chipgröße und leiten THz-Wellen entlang des Chips. Indem sie eine zweite Struktur in der Nähe platzierten, um optische (Licht-)Wellen zu leiten, verbesserten die Wissenschaftler die Interaktion und Umwandlung zwischen den beiden mit minimalem Energieverlust.
„Wir können sowohl optische als auch THz-Pulse auf ein und derselben Plattform steuern, einfach durch unser miniaturisiertes Schaltkreisdesign. Unser Ansatz kombiniert photonische Schaltkreise und THz-Schaltkreise auf einem einzigen Gerät mit einer bisher unerreichten Bandbreite“, sagt Lampert.
Die von dem hybriden Bauelement erzeugten breitbandigen THz-Signale könnten beispielsweise für die Entwicklung eines terahertzbasierten Lidars verwendet werden, bei dem extrem kurze THz-Pulse zur Abschätzung der Entfernung eines Objekts (Ranging) bis auf einen Millimeter genau eingesetzt werden könnten. Dank seines kompakten und energieeffizienten Designs ist der Chip auch mit bestehenden photonischen Technologien wie Lasern, Lichtmodulatoren und Detektoren kompatibel. Das Team arbeitet bereits an der vollständigen Miniaturisierung des Chipdesigns, um eine nahtlose Integration in die nächste Generation von Kommunikations- und Entfernungsmesssystemen zu ermöglichen, wie sie beispielsweise in selbstfahrenden Autos eingesetzt werden.
„Wir gehen davon aus, dass das von uns vorgeschlagene Design für künftige THz-Anwendungen, wie z. B. die 6G-High-Speed-Kommunikation, von entscheidender Bedeutung sein werden,“ sagt Benea-Chelmus.
Amirhassan Shams-Ansari, jetzt leitender Laseringenieur bei DRS Daylight Solutions und zuvor Postdoc an der Harvard University, merkt an: „Dünnschicht-Lithiumniobat hat sich als leistungsfähige Plattform für die integrierte Photonik erwiesen und ermöglicht eine neue Generation von Anwendungen und Geräten. Es ist wirklich aufregend zu sehen, wie diese Technologie in den vielversprechenden, aber noch wenig erforschten THz-Bereich vordringt.“ [EPFL / dre]
Weiterführende Links
- Originalveröffentlichung
Y. Lampert et al., Photonics-integrated terahertz transmission lines, Nat. Commun. 16, 7004, 30. Juli 2025; DOI: 10.1038/s41467-025-62267-y - Laboratory of Hybrid Photonics (Cristina Benea-Chelmus), School of Engineering | STI, EPFL Lausanne
- Laboratory for Nanoscale Optics (Marko Lončar), John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences, Harvard University, Cambridge, Mass.
- DRS Daylight Solutions, San Diego, Calif.
Anbieter
Ecole polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL)Station 17
1015 Lausanne
Schweiz
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