Investigadores de la EPFL y la Universidad de Harvard han diseñado un chip capaz de convertir pulsos electromagnéticos en el rango de terahercios y ópticos en un mismo dispositivo. Su diseño integrado podría facilitar el desarrollo de dispositivos para telecomunicaciones ultrarrápidas, medición de distancias, espectroscopía y computación.
La radiación de terahercios describe una banda de ondas en el espectro electromagnético con frecuencias superiores a las de las microondas (utilizadas en tecnologías de telecomunicaciones como el wifi) pero inferiores a las de la luz infrarroja (utilizada en láseres y fibra óptica). Sus cortas longitudes de onda permiten que las señales de terahercios (THz) transmitan grandes cantidades de datos a gran velocidad, pero conectar la radiación de THz a las tecnologías ópticas y de microondas existentes ha sido un gran desafío.
En 2023, investigadores del Laboratorio de Fotónica Híbrida dieron un paso más para cerrar esta brecha al crear un chip fotónico extremadamente delgado de niobato de litio que, al conectarse a un rayo láser, producía ondas de THz con una precisión de ajuste. Ahora, el equipo ha presentado un novedoso diseño que no solo genera ondas de THz, sino que también detecta las entrantes convirtiéndolas en señales ópticas.
Esta conversión bidireccional en una única plataforma miniaturizada es un paso esencial para conectar los dominios de THz y óptico, y podría permitir el desarrollo de dispositivos compactos y energéticamente eficientes para la comunicación, la detección, la espectroscopia y la computación. La investigación se ha publicado en Nature Communications.
“Además de demostrar la primera detección de pulsos THz en un chip de circuito fotónico de niobato de litio, generamos campos eléctricos THz más de 100 veces más fuertes y aumentamos el ancho de banda en un factor de cinco (pasando de 680 GHz a 3,5 THz)”, afirma Cristina Benea-Chelmus, jefa del Laboratorio de Fotónica Híbrida.
Del radar de terahercios a las comunicaciones 6G
El estudiante de doctorado y primer autor, Yazan Lampert, explica que el diseño innovador del equipo se centra en la integración de estructuras micrométricas llamadas líneas de transmisión en su chip fotónico de niobato de litio. Estas líneas actúan como cables de radio a escala de chip para guiar las ondas de THz a lo largo del chip. Al colocar una segunda estructura cerca para guiar las ondas ópticas (de luz), los científicos mejoraron la interacción y la conversión entre ambas con una pérdida mínima de energía.
Prevemos que las pautas de diseño que proponemos serán cruciales en futuras aplicaciones de terahercios, como las comunicaciones 6G de alta velocidad, donde la detección y la medición de distancia serán un componente esencial de la red de comunicaciones.La profesora de la EPFL Cristina Benea-Chelmus, jefa del Laboratorio de Fotónica Híbrida
Podemos controlar pulsos ópticos y de THz en la misma plataforma simplemente mediante nuestro diseño de circuito miniaturizado. Nuestro enfoque combina circuitos fotónicos y circuitos de THz en un solo dispositivo con un ancho de banda sin precedentes, afirma Lampert.
Las señales de banda ancha de THz generadas por el dispositivo híbrido podrían utilizarse, por ejemplo, para desarrollar un radar basado en terahercios, en el que pulsos de THz extremadamente cortos podrían utilizarse para estimar la distancia de un objeto (distancia) con una precisión de un milímetro. Gracias a su diseño compacto y de bajo consumo, el chip también es compatible con tecnologías fotónicas existentes, como láseres, moduladores de luz y detectores. El equipo ya está trabajando en la miniaturización completa del diseño del chip para permitir una integración fluida en la próxima generación de sistemas de comunicaciones y distancia, como los utilizados en vehículos autónomos.
Amirhassan Shams-Ansari, coautor principal de este trabajo y actual ingeniero láser principal en DRS Daylight Solutions (anteriormente investigador postdoctoral en la Universidad de Harvard), comenta: «El niobato de litio de película delgada ha demostrado ser una potente plataforma para la fotónica integrada, lo que posibilita una nueva generación de aplicaciones y dispositivos. Es realmente emocionante ver cómo esta tecnología avanza hacia el prometedor, aunque poco explorado, dominio de los THz».
“Anticipamos que las pautas de diseño que proponemos serán cruciales en futuras aplicaciones de terahercios, como las comunicaciones 6G de alta velocidad, donde la detección y la medición de distancia serán un componente esencial de la red de comunicaciones”, afirma Benea-Chelmus.
Fondos
Esta investigación ha recibido financiación de la Unión Europea (subvención MIRAQLS n.° 101070700), la Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (subvención PRIMA n.° 201547) y el programa de la agencia líder SNSF-NSF (NSF ECCS-2407727).
Referencias
Lampert, Y., Shams-Ansari, A., Gaier, A. et al. Líneas de transmisión de terahercios integradas en fotónica. Nat Commun 16, 7004 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-62267-y
EPFL News. Traducido al español
