محققان موفق به توسعه‌ی فناوری جدیدی شده‌اند که می‌تواند تولید امواج تراهرتز را با استفاده از یک تراشه‌ی کوچک و کم‌هزینه امکان‌پذیر کند، بدون آن‌که نیاز به لنزهای بزرگ و گران‌قیمت سیلیکونی باشد.
توسعه‌ی سیستم مبتنی بر تراشه برای امواج تراهرتز؛ گامی به سوی الکترونیک کارآمدتر و حساس‌تر
امواج تراهرتز (THz) به دلیل طول موج کوتاه‌تر و فرکانس بالاتر نسبت به امواج رادیویی، پتانسیل بالایی برای انتقال سریع‌تر داده‌ها، تصویربرداری پزشکی دقیق‌تر و رادارهای با وضوح بالا دارند.
با این حال، تولید مؤثر این امواج با استفاده از تراشه‌های نیمه‌هادی چالشی بزرگ محسوب می‌شود. بسیاری از روش‌های کنونی، قدرت تابشی کافی برای کاربردهای عملی را ارائه نمی‌دهند، مگر آن‌که از لنزهای سیلیکونی حجیم و گران‌قیمت استفاده شود. این لنزها که اغلب از خود تراشه بزرگ‌تر هستند، ادغام منبع تراهرتز را در دستگاه‌های الکترونیکی دشوار می‌کنند.
برای غلبه بر این محدودیت‌ها، محققان دانشگاه ام‌آی‌تی (MIT) موفق به توسعه‌ی یک سیستم تقویت‌کننده و تشدیدکننده امواج تراهرتز شده‌اند که قدرت تابشی بالاتری نسبت به دستگاه‌های موجود دارد و نیازی به لنزهای سیلیکونی ندارد.
در این روش، با استفاده از یک ورقه‌ی نازک و الگوگذاری‌شده که در پشت تراشه قرار می‌گیرد و همچنین بهره‌گیری از ترانزیستورهای پرقدرت اینتل (Intel)، محققان موفق به تولید یک تراشه‌ی کارآمد و درعین حال مقیاس‌پذیر برای تولید امواج تراهرتز شدند.
این فناوری جدید می‌تواند برای ساخت آرایه‌های تراهرتزی در کاربردهایی مانند اسکنرهای امنیتی پیشرفته برای شناسایی اشیای مخفی و حسگرهای محیطی برای تشخیص آلاینده‌های هوا مورد استفاده قرار گیرد.
جینچن وانگ دانشجوی دکتری در دپارتمان مهندسی برق و علوم کامپیوتر دانشگاه MIT و نویسنده‌ی اصلی این پژوهش، دراین‌باره می‌گوید: «برای استفاده‌ی کامل از منبع امواج تراهرتز، باید مقیاس‌پذیر باشد. یک آرایه‌ی تراهرتز ممکن است شامل صدها تراشه باشد و فضایی برای لنزهای سیلیکونی وجود ندارد. ما نیاز به یک بسته‌بندی متفاوت داریم و در این پژوهش، رویکردی را نشان داده‌ایم که می‌تواند برای ساخت آرایه‌های تراهرتزی کم‌هزینه و مقیاس‌پذیر مورد استفاده قرار گیرد.»
امواج تراهرتز در طیف الکترومغناطیسی بین امواج رادیویی و نور مادون قرمز قرار دارند. این امواج، در مقایسه با امواج رادیویی، قادر به انتقال اطلاعات بیشتری در هر ثانیه هستند و درعین‌حال می‌توانند به طیف وسیع‌تری از مواد نفوذ کنند.
یکی از روش‌های تولید امواج تراهرتز، استفاده از تقویت‌کننده مبتنی بر تراشه‌ی CMOS است که فرکانس امواج رادیویی را تا محدوده‌ی تراهرتز افزایش می‌دهد. برای دستیابی به بهترین عملکرد، این امواج از داخل تراشه‌ی سیلیکونی عبور کرده و از سمت پشتی آن به هوای آزاد منتشر می‌شوند. اما مشکلی اساسی در این مسیر وجود دارد؛ خاصیتی به نام ثابت دی‌الکتریک (Dielectric Constant) که بر نحوه‌ی تعامل امواج الکترومغناطیسی با یک ماده تأثیر می‌گذارد.
از آن‌جایی که ثابت دی‌الکتریک سیلیکون بسیار بالاتر از هوا است، بیشتر امواج تراهرتز در مرز بین سیلیکون و هوا بازتاب می‌شوند و تنها مقدار کمی از انرژی آن‌ها به بیرون انتقال می‌یابد. به همین دلیل، بسیاری از روش‌های موجود برای تقویت این سیگنال‌های ضعیف، از لنزهای سیلیکونی استفاده می‌کنند. محققان MIT این مشکل را با یک رویکرد متفاوت حل کردند.
محققان با بهره‌گیری از یک ورقه‌ی نازک با ضریب دی‌الکتریک میانگین بین سیلیکون و هوا، توانستند بازتاب امواج را در مرز سیلیکون-هوا کاهش داده و بخش بیشتری از سیگنال را از تراشه خارج کنند. برای این کار، آن‌ها از یک ماده‌ی کم‌هزینه و تجاری که ضریب دی‌الکتریک آن نزدیک به مقدار موردنظر بود، استفاده کردند. سپس، با کمک برش لیزری، حفره‌های بسیار کوچکی روی این ورقه ایجاد کردند تا مقدار ضریب دی‌الکتریک دقیقاً مطابق نیاز تنظیم شود.
وانگ دراین‌باره توضیح می‌دهد: «از آن‌جایی که ثابت دی‌الکتریک هوا برابر با ۱ است، اگر حفره‌هایی در ورقه ایجاد کنیم، درواقع بخشی از هوا را به داخل آن تزریق کرده‌ایم و این باعث کاهش مقدار کلی ثابت دی‌الکتریک ورقه‌ی تطبیقی می‌شود.»
علاوه بر این، آن‌ها از ترانزیستورهای خاص اینتل که دارای فرکانس کاری بالاتر و ولتاژ شکست بیشتر نسبت به ترانزیستورهای معمولی CMOS هستند، در طراحی تراشه استفاده کردند. این تراشه توانست امواج تراهرتز را با قدرت تابشی ۱۱٫۱ دسی‌بل میلی‌وات تولید کند که در میان روش‌های پیشرفته‌ی موجود، بالاترین میزان قدرت تابشی محسوب می‌شود.
از آن‌جایی که این تراشه کم‌هزینه بوده و قابلیت تولید در مقیاس بالا را دارد، می‌توان از آن در دستگاه‌های الکترونیکی واقعی به طور گسترده بهره گرفت. یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های توسعه‌ی این تراشه، مدیریت مصرف توان و دما هنگام تولید امواج تراهرتز بود.
در ادامه‌ی تحقیقات، تیم MIT قصد دارد با ساخت آرایه‌ی فازی از منابع تراهرتز CMOS، امکان هدایت و تمرکز پرتوهای تراهرتز را در قالب یک سیستم کم‌هزینه و مقیاس‌پذیر به نمایش بگذارد.
