Les métastructures permettent les puces THz pour la 6G...

Plutôt que de réduire la taille des appareils pour obtenir des vitesses plus élevées, Elison Matioli du laboratoire de recherche en électronique de puissance et à large bande interdite (POWERlab) de la Faculté d'ingénierie de l'EPFL a utilisé des métastructures pour atteindre des fréquences de 200 GHz à 20 THz.

« De nouveaux articles décrivent des appareils de plus en plus petits, mais dans le cas des matériaux à base de nitrure de gallium, les meilleurs appareils en termes de fréquence ont déjà été publiés il y a quelques années », explique Matioli. « Après cela, il n’y a vraiment rien de mieux, car à mesure que la taille des appareils diminue, nous sommes confrontés à des limitations fondamentales. Cela est vrai quel que soit le matériau utilisé.

Les métastructures sont gravées et modelées à des distances inférieures à la longueur d'onde sur un semi-conducteur constitué de nitrure de gallium et de nitrure de gallium d'indium. Ceux-ci permettent de contrôler les champs électriques à l’intérieur de l’appareil, produisant ainsi des propriétés extraordinaires qui n’existent pas dans la nature.

"Nous avons découvert que la manipulation des champs de radiofréquences à des échelles microscopiques peut améliorer considérablement les performances des appareils électroniques, sans recourir à une réduction d'échelle agressive", a déclaré Samizadeh Nikoo, chercheur à l'EPFL et premier auteur d'un article dans Nature (voir ci-dessous).

Étant donné que les fréquences térahertz sont trop rapides pour être gérées par l'électronique actuelle et trop lentes pour les applications optiques, cette plage est souvent appelée « écart térahertz ». Utiliser des métastructures sub-longueur d’onde pour moduler les ondes térahertz est une technique issue du monde de l’optique. Mais la méthode du POWERlab permet un contrôle électronique, contrairement à l'approche optique.

« Dans notre approche basée sur l'électronique, la capacité de contrôler les radiofréquences induites vient de la combinaison des contacts à motifs sub-longueur d'onde, ainsi que du contrôle du canal électronique avec la tension appliquée. Cela signifie que nous pouvons modifier l’effet collectif à l’intérieur du métadispositif en induisant (ou non) des électrons », explique Matioli.

Les métadispositifs du POWERlab peuvent atteindre 20 THz avec une tension de claquage supérieure à 20 volts. Cela permet la transmission et la modulation de signaux térahertz avec une puissance et une fréquence bien supérieures à celles actuellement possibles.

« Cette nouvelle technologie pourrait changer l’avenir des communications à très haut débit, car elle est compatible avec les processus existants de fabrication de semi-conducteurs. Nous avons démontré une transmission de données allant jusqu'à 100 gigabits par seconde à des fréquences térahertz, ce qui est déjà 10 fois supérieur à ce que nous avons aujourd'hui avec la 5G », a déclaré Nikoo.

La prochaine étape consistera à développer d’autres composants électroniques prêts à être intégrés dans des circuits térahertz.

Le document est sur www.nature.com/articles/s41586-022-05595-z

Des chercheurs de l'UCLA en Californie ont également développé un radiateur peigne/impulsion térahertz (THz) entièrement intégré et un récepteur hétérodyne à peigne de fréquence à large bande pour les applications de détection et d'imagerie qu'ils proposent aux laboratoires de recherche.

Le chipset est fabriqué selon le processus SiGe BiCMOS 90 nm de GlobalFoundries. Le radiateur en peigne utilise une récupération inverse nette de diode à broches pour générer un peigne/des impulsions de fréquence THz. Le taux de répétition des impulsions rayonnées est verrouillé sur une source stable hors puce, qui peut être ajustée jusqu'à 15 GHz.

En utilisant une source hors puce à faible bruit de phase plutôt qu'un oscillateur sur puce, un faible bruit de phase et une stabilité haute fréquence sont obtenus. Le bruit de phase de la tonalité de 405 GHz est de -82 dBc à une fréquence de décalage de 10 kHz tandis que les tonalités rayonnées sont caractérisées de 220 GHz jusqu'à 1,1 THz à l'aide de modules VDI SAX avec une PIRE mesurée de -11, -15 et -36. dBm à 405, 500 et 750 GHz, respectivement.

Un détecteur en peigne de fréquence THz utilise des mélangeurs passifs à diode barrière Schottky comme oscillateur local pour la détection hétérodyne de tout spectre arbitraire dans la bande d'ondes mm/THz en ajustant l'espacement du peigne de 100 s de MHz jusqu'à 15 GHz avec une résolution de 2 Hz.

La puce du récepteur est caractérisée de 220 à 500 GHz avec un NF mesuré de 24,5, 36 et 44 dB à 270, 405 et 495 GHz, respectivement. Une technique à double peigne utilisant les puces radiateur et récepteur offre une solution compacte et peu coûteuse pour les applications de détection à double peigne, car les puces radiateur et récepteur consomment une puissance continue de 40 et 38 mW, respectivement.