Los investigadores desarrollaron un dispositivo escalable y de bajo coste que puede generar ondas de terahercios de alta potencia en un chip, sin lentes de silicio voluminosos.
El uso de ondas de terahercios, que tienen longitudes de onda más cortas y frecuencias más altas que las ondas de radio, podría permitir una transmisión de datos más rápida, imágenes médicas más precisas y un radar de mayor resolución.
Pero generar efectivamente ondas de terahercios utilizando un chip semiconductor, que es esencial para la incorporación a dispositivos electrónicos, es notoriamente difícil.
Muchas técnicas actuales pueden generar ondas con suficiente potencia radiante para aplicaciones útiles a menos que utilicen lentes de silicio voluminosas y caras. Una mayor potencia de radiación permite que las señales de terahercios viajen más lejos. Tales lentes, que a menudo son más grandes que el chip en sí, dificultan la integración de la fuente de terahercios en un dispositivo electrónico.
Para superar estas limitaciones, los investigadores del MIT desarrollaron un sistema amplificador-multiplicador de terahercios que logra una mayor potencia de radiación que los dispositivos existentes sin la necesidad de lentes de silicio.
Al colocar una delgada lámina de material estampada en la parte posterior del chip y utilizar transistores Intel de mayor potencia, los investigadores produjeron un generador de ondas de terahercios basado en chips más eficiente pero escalable.
Este chip compacto podría usarse para hacer matrices de terahercios para aplicaciones como escáneres de seguridad mejorados para detectar objetos ocultos o monitores ambientales para identificar contaminantes en el aire.
“Para aprovechar al máximo una fuente de onda de terahercios, necesitamos que sea escalable. Una matriz de terahercios puede tener cientos de chips, y no hay lugar para poner lentes de silicio porque los chips se combinan con una densidad tan alta. Necesitamos un paquete diferente, y aquí hemos demostrado un enfoque prometedor que se puede utilizar para matrices de terahercios escalables y de bajo costo, dice Jinchen Wang, estudiante graduado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) y autor principal de un artículo sobre el radiador de terahercios.
A él se unen en el periódico los estudiantes graduados de EECS Daniel Sheen y Xibi Chen; Steven F. Nagle, director gerente del T.J. Rodgers RLE Laboratory; y el autor principal Ruonan Han, profesor asociado en EECS, que dirige el Grupo de Electrónica Integrada Terahertz. La investigación se presentará en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estados Sólidos del IEEE.
Haciendo olas
Las ondas de Terahertz se encuentran en el espectro electromagnético entre las ondas de radio y la luz infrarroja. Sus frecuencias más altas les permiten transportar más información por segundo que las ondas de radio, mientras que pueden penetrar de manera segura en una gama más amplia de materiales que la luz infrarroja.
Una forma de generar ondas de terahercios es con una cadena amplificador-multiplicador basada en chip CMOS que aumenta la frecuencia de las ondas de radio hasta que alcanzan el rango de terahercios. Para lograr el mejor rendimiento, las ondas pasan a través del chip de silicio y finalmente se emiten de vuelta al aire libre.
Pero una propiedad conocida como la constante dieléctrica se interpone en el camino de una transmisión suave.
La constante dieléctrica influye en cómo las ondas electromagnéticas interactúan con un material. Afecta la cantidad de radiación que se absorbe, refleja o transmite. Debido a que la constante dieléctrica del silicio es mucho más alta que la del aire, la mayoría de las ondas de terahercios se reflejan en el límite silicio-aire en lugar de transmitirse limpiamente por la parte posterior.
Dado que la mayoría de la intensidad de la señal se pierde en este límite, los enfoques actuales a menudo usan lentes de silicio para aumentar la potencia de la señal restante.
Los investigadores del MIT abordaron este problema de manera diferente.
Se basaron en una teoría electromecánica conocida como coincidencia. Con la coincidencia, buscan igualar las constantes dieléctricas de silicio y aire, lo que minimizará la cantidad de señal que se refleja en el límite.
Lo logran pegando una delgada lámina de material que tiene una constante dieléctrica entre el silicio y el aire en la parte posterior del chip. Con esta hoja coincidente en su lugar, la mayoría de las ondas se transmitirán por la parte posterior en lugar de reflejarse.
Un enfoque escalable
Eligieron un material de sustrato de bajo costo disponible comercialmente con una constante dieléctrica muy cerca de lo que necesitaban para su coincidencia. Para mejorar el rendimiento, utilizaron un cortador láser para perforar pequeños agujeros en la lámina hasta que su constante dieléctrica fuera exactamente correcta.
“Dado que la constante dieléctrica del aire es 1, si solo cortas algunos agujeros de sublongitud de onda en la hoja, es equivalente a inyectar algo de aire, lo que reduce la constante dieléctrica general de la hoja correspondiente, explica Wang.
Además, diseñaron su chip con transistores especiales desarrollados por Intel que tienen una frecuencia máxima y un voltaje de ruptura más altos que los transistores CMOS tradicionales.
“Estas dos cosas en conjunto, los transistores más potentes y la lámina dieléctrica, además de algunas otras pequeñas innovaciones, nos permitieron superar a varios otros dispositivos,”, dice.
Su chip generó señales de terahercios con una potencia de radiación máxima de 11,1 decibelios-milivatios, la mejor entre las técnicas de vanguardia. Además, dado que el chip de bajo costo se puede fabricar a escala, podría integrarse en dispositivos electrónicos del mundo real más fácilmente.
Uno de los mayores desafíos de desarrollar un chip escalable fue determinar cómo administrar la potencia y la temperatura al generar ondas de terahercios.
“Debido a que la frecuencia y la potencia son tan altas, muchas de las formas estándar de diseñar un chip CMOS no son aplicables aquí,” Wang dice.
Los investigadores también necesitaron diseñar una técnica para instalar la hoja coincidente que podría ampliarse en una instalación de fabricación.
En el futuro, quieren demostrar esta escalabilidad fabricando una matriz en fase de fuentes de terahercios CMOS, lo que les permite dirigir y enfocar un potente haz de terahercios con un dispositivo compacto y de bajo costo.
Esta investigación es apoyada, en parte, por el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y el Programa de Asociaciones Estratégicas de Investigación Universitaria, así como el Centro de Circuitos y Sistemas Integrados del MIT. El chip fue fabricado a través del Programa de Transbordadores de la Universidad de Intel. MIT News. Traducido al español
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