Die Terahertz-Technologie könnte uns helfen, die ständig steigende Nachfrage nach schnelleren Datenübertragungsraten zu erfüllen. Allerdings ist die Herunterkonvertierung eines Terahertz-Signals auf beliebig niedrigere Frequenzen schwierig.
In einer aktuellen Studie haben Forscher aus Japan eine neue Strategie entwickelt, um ein Terahertz-Signal in einem Wellenleiter hoch- und herunterzuwandeln, indem sie seine Leitfähigkeit mithilfe von Licht dynamisch verändern und so eine zeitliche Grenze schaffen. Ihre Erkenntnisse könnten den Weg zu schnellerer und effizienterer Optoelektronik und verbesserter Telekommunikation ebnen.
Je tiefer wir ins Informationszeitalter eintauchen, desto größer wird die Nachfrage nach schnellerer Datenübertragung, verstärkt durch schnelle Fortschritte in Bereichen wie Deep Learning und Robotik. Vor diesem Hintergrund untersuchen immer mehr Wissenschaftler das Potenzial der Nutzung von Terahertzwellen zur Entwicklung von Hochgeschwindigkeits-Telekommunikationstechnologien.
Um das Terahertz-Band jedoch effizient nutzen zu können, benötigen wir Frequenzmultiplexverfahren (FDM), um mehrere Signale gleichzeitig übertragen zu können. Natürlich ist die Fähigkeit, die Frequenz eines Terahertz-Signals auf eine beliebige andere Frequenz hoch- oder herunterzuwandeln, eine logische Voraussetzung für FDM. Leider hat sich dies mit den aktuellen Technologien als recht schwierig erwiesen.
Das Hauptproblem besteht darin, dass Terahertzwellen aus Sicht der konventionellen Elektronik extrem hochfrequente Wellen und aus Sicht der Optik sehr energiearmes Licht sind, was die Leistungsfähigkeit der meisten Geräte und Konfigurationen in beiden Bereichen übersteigt. Daher ist ein radikal anderer Ansatz erforderlich, um die derzeitigen Einschränkungen zu überwinden.
Überraschenderweise in einer Studie veröffentlicht in Nanophotonik Am 20. Mai 2024 berichtet ein Forschungsteam, darunter Assistenzprofessor Keisuke Takano von der Fakultät für Naturwissenschaften der Shinshu-Universität in Japan, über eine innovative Lösung zur Frequenzherunterkonvertierung von Terahertz-Wellen.
Die Mitautoren ihres Artikels waren Fumiaki Miyamaru von der Universität Shinshu, Toshihiro Nakanishi von der Universität Kyoto, Yosuke Nakata von der Universität Osaka sowie Joel Pérez-Urquizo, Julien Madéo und Keshav M. Dani vom Okinawa Institute of Science and Technology.
Die vorgeschlagene Strategie basiert auf den Frequenzumwandlungen, die in zeitabhängigen Systemen auftreten. So wie ein Wellenleiter ein sich bewegendes Wellenpaket im Raum einschließt, gibt es ein analoges Konzept, das zeitlich auftritt und als zeitliche Wellenleitung bezeichnet wird. Einfach ausgedrückt wirken Variationen, die im Laufe der Zeit in einem gesamten System auftreten, als „zeitliche Grenze“.
Ähnlich wie räumliche Grenzen (z. B. die Schnittstelle zwischen zwei verschiedenen Medien) können zeitliche Grenzen die Dispersionseigenschaften des Wellenleiters verändern und so zu unterschiedlichen Ausbreitungsmodi bei neuen Frequenzen führen.
Um diese zeitliche Grenze zu schaffen, legten die Forscher zunächst einen GaAs-Wellenleiter über eine dünne Metallschicht. Während Terahertz-Wellen im transversal magnetischen (TM) Modus durch den Wellenleiter liefen, richteten sie Licht auf die blanke GaAs-Oberfläche. Die daraus resultierende Photoanregung der oberen Oberfläche veränderte augenblicklich deren Leitfähigkeit und verwandelte den unten metallisierten Wellenleiter effektiv in einen parallelen doppelt metallisierten Wellenleiter.
Dieser Übergang von einer Wellenleiterstruktur zu einer anderen fungierte als zeitliche Grenze, an der die einfallenden TM-Modi des blanken Wellenleiters mit dem transversal elektromagnetischen (TEM) Modus des doppelt metallisierten Wellenleiters gekoppelt wurden. Da die Dispersionskurve des TEM-Modus einen niedrigeren Frequenzbereich einnimmt als die des einfallenden TM-Modus, erzeugt dieser Ansatz eine frequenzverringerte Terahertzwelle.
Das Forschungsteam führte Experimente durch, die letztlich ihre gründliche theoretische Analyse der vorgeschlagenen Frequenzumwandlungsmethode bestätigten. Somit zeichnen die Ergebnisse dieser Studie ein glänzendes Bild für die kommende Terahertz-Technologie.
Dr. Takano sagt: „Frequenzumwandlungsgeräte für Terahertz-Wellen haben das Potenzial, in Zukunft bei der drahtlosen Hochgeschwindigkeitskommunikation eingesetzt zu werden. Sie könnten beispielsweise eine Informationsreplikation zwischen Terahertz-Wellenfrequenzkanälen ermöglichen, die unterschiedliche Daten übertragen. Es könnte auch Geräte geben, bei denen Informationsverarbeitungsschaltkreise für Terahertz-Wellen mit verschiedenen optischen Verarbeitungskomponenten integriert sind.“
Bemerkenswert ist, dass die Aufwärtskonvertierung durch den vorgeschlagenen Ansatz zeigte auch in einem Briefe zur körperlichen Überprüfung Papier. Darüber hinaus kann die Auf- und Abwärtskonvertierung durch Manipulation der Polarisation der eingehenden Terahertzwellen umgeschaltet werden, was dazu beitragen würde, FDM im Terahertzbereich bequemer zu machen.
Darüber hinaus ist die vorliegende Methode zur Frequenzumwandlung nicht streng auf Terahertz-Wellenleiter beschränkt und könnte auch wichtige Auswirkungen auf die Optik haben.
„Es ist wichtig zu erkennen, dass das Konzept dieser Studie über den Terahertz-Frequenzbereich hinausgeht und auch auf den optischen Frequenzbereich angewendet werden kann. Basierend auf jüngsten Erkenntnissen könnten auch ultraschnelle Frequenzumwandlungsgeräte aus optisch modulierten Wellenleitern mit Indiumzinnoxid möglich sein“, sagte Dr. Takano.
Weitere Entwicklungen auf diesem Gebiet könnten letztlich zu schnellerer und energieeffizienterer Telekommunikation führen und uns so dabei helfen, eine stärker vernetzte und nachhaltigere Gesellschaft aufzubauen.
Mehr Informationen:
Keisuke Takano et al., Frequenzabwärtskonvertierung von Terahertzwellen an optisch induzierten zeitlichen Grenzen in GaAs-Wellenleitern, Nanophotonik (2024). DOI: 10.1515/nanoph-2024-0010