Ein Forscherteam der Universität Ottawa hat innovative Methoden entwickelt, um die Frequenzumwandlung von Terahertz-Wellen (THz) in Strukturen auf Graphenbasis zu verbessern und so neues Potenzial für schnellere und effizientere Technologien in der drahtlosen Kommunikation und Signalverarbeitung zu erschließen.
THz-Wellen, die im fernen Infrarotbereich des elektromagnetischen Spektrums liegen, können zur nichtinvasiven Bildgebung durch undurchsichtige Materialien für Sicherheits- und Qualitätskontrollanwendungen verwendet werden. Darüber hinaus sind diese Wellen vielversprechend für die drahtlose Kommunikation. Fortschritte in der nichtlinearen THz-Optik, mit der sich die Frequenz elektromagnetischer Wellen ändern lässt, sind für die Entwicklung drahtloser Hochgeschwindigkeitskommunikations- und Signalverarbeitungssysteme für 6G-Technologien und darüber hinaus von entscheidender Bedeutung.
THz-Technologien entwickeln sich rasant weiter, da sie eine entscheidende Rolle in den Bereichen Gesundheit, Kommunikation, Sicherheit und Qualitätskontrolle spielen werden. Jean-Michel Ménard, außerordentlicher Professor für Physik an der Fakultät für Naturwissenschaften, und ein Forscherteam haben den Weg für die Entwicklung von Geräten geebnet, die elektromagnetische Signale in höhere Schwingungsfrequenzen umwandeln können und so die Lücke zwischen GHz-Elektronik und THz-Photonik effektiv schließen.
Diese Ergebnisse – veröffentlicht in Licht: Wissenschaft und Anwendungen — innovative Strategien zur Verbesserung der THz-Nichtlinearitäten in graphenbasierten Geräten demonstrieren. „Die Forschung markiert einen bedeutenden Fortschritt bei der Verbesserung der Effizienz von THz-Frequenzumrichtern, einem entscheidenden Aspekt für multispektrale THz-Anwendungen und insbesondere für die Zukunft von Kommunikationssystemen wie 6G“, sagt Professor Ménard, der an dem Projekt mit seinem Kollegen aus uOttawa zusammengearbeitet hat Forscher Ali Maleki und Robert W. Boyd sowie Moritz B. Heindl und Georg Herink von der Universität Bayreuth (Deutschland) und Iridian Spectral Technologies.
Diese neue Forschung zeigt Methoden zur Nutzung der einzigartigen optischen Eigenschaften von Graphen, einem neuen Quantenmaterial, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. Dieses 2D-Material kann nahtlos in Geräte integriert werden und ermöglicht so neue Anwendungen für Signalverarbeitung und Kommunikation.
Frühere Arbeiten, die THz-Licht und Graphen kombinierten, konzentrierten sich hauptsächlich auf grundlegende Licht-Materie-Wechselwirkungen und untersuchten häufig die Auswirkung eines einzelnen Parameters im Experiment. Die daraus resultierenden nichtlinearen Effekte waren äußerst schwach. Um diese Einschränkung zu überwinden, haben Professor Ménard und seine Kollegen mehrere innovative Ansätze kombiniert, um nichtlineare Effekte zu verstärken und die einzigartigen Eigenschaften von Graphen voll auszunutzen.
„Unsere experimentelle Plattform und unsere neuartigen Gerätearchitekturen bieten die Möglichkeit, ein breites Spektrum an Materialien über Graphen hinaus zu erforschen und möglicherweise neue nichtlineare optische Mechanismen zu identifizieren“, fügt Ali Maleki hinzu, ein Doktorand in der Ultrafast THz-Gruppe an der uOttawa, der Ergebnisse für gesammelt und analysiert hat die Studie.
„Solche Forschung und Entwicklung sind von entscheidender Bedeutung für die Verfeinerung der THz-Frequenzumwandlungstechniken und schließlich für die Integration dieser Technologie in praktische Anwendungen, insbesondere um effiziente, chipintegrierte nichtlineare THz-Signalwandler zu ermöglichen, die zukünftige Kommunikationssysteme vorantreiben werden.“
