Maurizio Burla, nuevo profesor de TU Berlin, trae consigo una beca ERC. Con él, quiere construir un chip con un núcleo óptico que pueda recibir, procesar, transmitir terahercio radiación por primera vez.
Crédito de la imagen: Fabian Horst vía Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
Existe una brecha entre las ondas de radio y las microondas en un lado del espectro electromagnético y los rayos infrarrojos y de luz en el otro: la radiación de terahercios. A diferencia de las ondas electromagnéticas con frecuencias más pequeñas o más grandes, no existe una tecnología de chip que pueda procesar la radiación de manera eficiente y, por lo tanto, rentable.
Sin embargo, esto sería importante, ya que la radiación de terahercios forma la base para la próxima generación de teléfonos móviles 6G, para el nuevo procesamiento de imágenes en medicina, así como para nuevos tipos de sensores. Por último, pero no menos importante, el espectro de terahercios en astronomía ofrece la posibilidad de detectar átomos y moléculas en el espacio.
Prof. Dr.-Ing. Maurizio Burla, el nuevo director de la Cátedra de Fotónica de Tecnología de Alta Frecuencia en Technische Universität Berlin, ahora está trabajando en una tecnología de chip de terahercios basada en una simbiosis de componentes eléctricos y conductores de luz. Cuenta con el apoyo financiero de una subvención inicial de 1,89 millones de euros del Consejo Europeo de Investigación (ERC).
Los haces de terahercios se conocieron principalmente a través de los escáneres corporales que ahora están disponibles en algunos aeropuertos en los controles de seguridad como una alternativa al escaneo manual de los viajeros. En medicina, por ejemplo, los rayos podrían detectar la cicatrización de quemaduras complicadas debajo del vendaje sin tener que cambiarlo con frecuencia y dañar el tejido en el proceso.
La radiación de terahercios también haría más fácil distinguir los tumores del tejido sano durante la cirugía o la detección temprana del cáncer. [1]. “Sin embargo, tales aplicaciones requieren una resolución mucho más alta que los escáneres corporales”, explica Maurizio Burla. Además, un diseño compacto y rentable es fundamental para una buena capacidad de gestión y un uso generalizado, añade.
La nueva generación de teléfonos móviles 6G se basa en haces de terahercios
“Lo mismo es especialmente cierto para la aplicación de haces de terahercios para radio móvil”, dice Burla. La nueva generación de radio móvil 6G se basará en haces de terahercios o subterahercios en el rango de 100 a 300 gigahercios.
Debido a los valores de alta frecuencia, existe una gran variedad de frecuencias individuales que se pueden utilizar en este rango. Con este gran «ancho de banda», se podrían enviar cientos de gigabits por segundo, transmitiendo la información en muchas frecuencias. Además, el amplio rango de frecuencias permite integrar muchos proveedores y diferentes aplicaciones en el sistema.
Las olas deben ser domesticadas
Sin embargo, es una ley de la física que las ondas de alta frecuencia, que cambian frecuentemente entre sus crestas y valles, se debilitan durante la transmisión mucho más que las de baja frecuencia, y esto trae la necesidad de enfocar las ondas con más fuerza en sus objetivos.
“Esto significa que las antenas deben transmitir de manera específica y rastrear cuando los objetos se mueven. La amplificación correcta de señales de entrada débiles también adquiere un significado especial aquí”, señala Burla. “Todo esto requiere un procesamiento analógico integrado de ondas de terahercios. Esto es exactamente para lo que está diseñado nuestro nuevo chip”.
La electrónica analógica y digital llega a sus límites
Sin embargo, esto trae consigo grandes dificultades con los componentes disponibles en la actualidad: en electrónica, el efecto de amplificación de los transistores cae casi a cero con el aumento de la frecuencia. Además, las resistencias eléctricas simples actúan repentinamente como capacitores a altas frecuencias, lo que aumenta drásticamente la pérdida de energía de las señales entrantes de las antenas.
“La electrónica analógica simplemente comienza a acercarse a sus límites físicos en estas altas frecuencias”, dice Maurizio Burla. “Desafortunadamente, también lo hace la electrónica digital, prácticamente por las mismas razones. Convertir ondas de terahercios en ceros y unos y luego procesar las señales digitalmente es muy difícil debido a la velocidad limitada y al alto consumo de energía de los convertidores, ya que las frecuencias se vuelven demasiado altas”.
Todo esto da como resultado una capacidad extremadamente limitada para procesar ondas a esas altas frecuencias.
Chip fotónico como solución
Maurizio Burla ve la solución a estos problemas en una tecnología que en realidad se desarrolló para frecuencias mucho más altas: la fotónica. Aquí, diminutas estructuras de tamaño micro y nanométrico en semiconductores o vidrios conducen ondas de luz que generalmente provienen de láseres. De esta manera, pueden amplificarse, de forma similar a la corriente en la electrónica, y procesarse de forma flexible en circuitos lógicos.
Burla ahora quiere “modular” los rayos láser con las señales de terahercios para poder procesar estas modulaciones con la ayuda de los elementos fotónicos establecidos. “Pero esto requiere moduladores y transductores muy especiales”, explica, “que deben ser diez veces más rápidos que los que hay actualmente en el mercado”.
El truco con la modulación
En el concepto de Burla, por ejemplo, una antena captura ondas de terahercios y las dirige a un transductor. Un rayo láser también pasa a través del transductor. Las ondas de terahercios influyen en las ondas láser en el transductor. Dependiendo de las propiedades de las ondas de terahercios, las ondas láser también cambian sus propiedades.
Esto puede referirse a la altura de las crestas de las olas, sus distancias o también al desplazamiento de trenes de olas individuales entre sí. Lo importante es que estos cambios en las ondas láser ocurren más o menos al mismo tiempo que las ondas de terahercios, son “moduladas” por ellas.
Los cristales especiales o las «cámaras» de resonancia, por ejemplo, en las que los dos tipos de ondas pueden interactuar entre sí, se pueden usar como transductores si se diseñan cuidadosamente.
Es necesario un trabajo de desarrollo considerable
“A través de la modulación, ahora podemos procesar toda la información de las ondas de terahercios, con la ayuda de los rayos láser, en los componentes fotónicos conocidos”, dice Burla. Esta es una gran ventaja, porque la fotónica ya utiliza diseños muy integrados, es decir, muy compactos.
Sin embargo, aún queda mucho trabajo de desarrollo por hacer, enfatiza Burla. Por ejemplo, debido al gran ancho de banda de las ondas de terahercios, los convertidores tendrían que funcionar uniformemente (linealmente) en un rango de frecuencia muy amplio. También deberían convertir las propiedades de las ondas de terahercios exactamente, sin «recortes» y, al mismo tiempo, sin agregar demasiado ruido.
“El procesamiento de la información de señales moduladas en terahercios también impone exigencias extremas a la calidad de los componentes fotónicos”, dice Maurizio Burla. «También deben estar especialmente diseñados para ser tan rápidos como para poder abordar señales de terahercios».
Entorno de investigación ideal en Berlín
A través de su investigación en la Universidad de Twente en los Países Bajos, la Universidad de Québec en Canadá y ETH Zurich, Burla está muy familiarizado con el mundo de la radiación de microondas y terahercios, así como con la fotónica clásica.
Además, se beneficia del entorno científico de TU Berlin, creando conexiones con otras cátedras que tienen experiencia sinérgica en teoría de la comunicación, diseño de circuitos integrados, ingeniería de microondas y radiofrecuencia, por nombrar solo algunos.
La proximidad espacial a los Institutos Fraunhofer HHI e IZM en Berlín y al Instituto Leibniz de Microelectrónica Innovadora (IHP) en Frankfurt/Oder también es una gran ventaja de ubicación, dice Burla. Como sucesor del Prof. Dr.-Ing. Klaus Petermann, también se beneficia de la infraestructura técnica y de salas limpias existente, que ahora está mejorando aún más para que coincida con lo que se necesita para esta investigación novedosa.
Por lo tanto, Maurizio Burla confía en que podrá presentar el primer chip de demostración para haces de terahercios al final del período de proyecto de cinco años de su subvención inicial ERC en 2027.en präsentieren kann.
Fuente: Universidad Técnica de Berlín
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