L’utilisation d’ondes térahertz, qui ont des longueurs d’onde plus courtes et des fréquences plus élevées que les ondes radio, pourrait permettre une transmission plus rapide des données, une imagerie médicale plus précise et des radars à plus haute résolution.
Mais il est notoirement difficile de générer efficacement des ondes térahertz à l’aide d’une puce semi-conductrice, ce qui est essentiel pour l’incorporation dans des appareils électroniques.
De nombreuses techniques actuelles ne peuvent pas générer des ondes avec une puissance de rayonnement suffisante pour des applications utiles, à moins d’utiliser des lentilles en silicium encombrantes et coûteuses. Une puissance de rayonnement plus élevée permet aux signaux térahertz de voyager plus loin. Ces lentilles, qui sont souvent plus grandes que la puce elle-même, rendent difficile l’intégration de la source térahertz dans un dispositif électronique.
Pour surmonter ces limitations, les chercheurs du MIT ont mis au point un système amplificateur-multiplicateur térahertz dont la puissance de rayonnement est supérieure à celle des dispositifs existants, sans qu’il soit nécessaire d’utiliser des lentilles en silicium.
En apposant une fine feuille de matériau à l’arrière de la puce et en utilisant des transistors Intel plus puissants, les chercheurs ont produit un générateur d’ondes térahertz plus efficace, mais aussi évolutif, basé sur une puce.
Cette puce compacte pourrait être utilisée pour fabriquer des réseaux térahertz destinés à des applications telles que des scanners de sécurité améliorés pour détecter des objets cachés ou des moniteurs environnementaux pour repérer les polluants en suspension dans l’air.
« Pour tirer pleinement parti d’une source d’ondes térahertz, il faut qu’elle soit évolutive. Un réseau térahertz peut comporter des centaines de puces, et il n’y a pas de place pour mettre des lentilles en silicium parce que les puces sont combinées avec une telle densité. Nous avons besoin d’un boîtier différent, et nous avons démontré ici une approche prometteuse qui peut être utilisée pour des réseaux térahertz évolutifs et peu coûteux », précise Jinchen Wang, étudiant diplômé du département de génie électrique et d’informatique (EECS) et auteur principal d’un article sur le radiateur térahertz.
Créer des ondes
Les ondes térahertz se situent sur le spectre électromagnétique entre les ondes radio et la lumière infrarouge. Leurs fréquences plus élevées leur permettent de transporter plus d’informations par seconde que les ondes radio, tandis qu’elles peuvent pénétrer en toute sécurité une gamme de matériaux plus large que la lumière infrarouge.
L’un des moyens de générer des ondes térahertz consiste à utiliser une chaîne amplificateur-multiplicateur basée sur une puce CMOS qui augmente la fréquence des ondes radio jusqu’à ce qu’elles atteignent la gamme térahertz. Pour obtenir les meilleures performances, les ondes traversent la puce de silicium et sont finalement émises à l’arrière dans l’air libre.
Mais une propriété connue sous le nom de constante diélectrique fait obstacle à une transmission harmonieuse.
La constante diélectrique influence la manière dont les ondes électromagnétiques interagissent avec un matériau. Elle affecte la quantité de rayonnement absorbée, réfléchie ou transmise. La constante diélectrique du silicium étant beaucoup plus élevée que celle de l’air, la plupart des ondes térahertz sont réfléchies à la frontière entre le silicium et l’air au lieu d’être transmises proprement à l’arrière.
Étant donné que la majeure partie du signal est perdue à cette frontière, les approches actuelles utilisent souvent des lentilles en silicium pour augmenter la puissance du signal restant.
Les chercheurs du MIT ont abordé ce problème différemment.
Ils se sont appuyés sur une théorie électromécanique connue sous le nom d’adaptation. Avec l’adaptation, ils cherchent à égaliser les constantes diélectriques du silicium et de l’air, ce qui minimisera la quantité de signal réfléchie à la frontière.
Pour ce faire, ils collent une fine feuille de matériau dont la constante diélectrique se situe entre celle du silicium et celle de l’air à l’arrière de la puce. Grâce à cette feuille d’adaptation, la plupart des ondes seront transmises à l’arrière plutôt que d’être réfléchies.
Une approche évolutive
Les chercheurs ont choisi un substrat bon marché, disponible dans le commerce, dont la constante diélectrique est très proche de celle dont ils ont besoin pour l’adaptation. Pour améliorer les performances, ils ont utilisé une découpeuse laser pour percer de minuscules trous dans la feuille jusqu’à ce que sa constante diélectrique soit exactement la bonne.
« La constante diélectrique de l’air étant de 1, il suffit de percer quelques trous de longueur d’onde dans la feuille pour injecter de l’air, ce qui abaisse la constante diélectrique globale de la feuille d’adaptation », commente M. Wang.
En outre, ils ont conçu leur puce avec des transistors spéciaux développés par Intel qui ont une fréquence maximale et une tension de claquage plus élevées que les transistors CMOS traditionnels.
« Ces deux éléments combinés, les transistors plus puissants et la feuille diélectrique, ainsi que quelques autres petites innovations, nous ont permis de surpasser plusieurs autres dispositifs », précise-t-il.
Leur puce a généré des signaux térahertz avec une puissance de rayonnement de pointe de 11,1 décibels-milliwatts, la meilleure parmi les techniques de pointe. En outre, comme la puce bon marché peut être fabriquée à l’échelle, elle pourrait être intégrée dans un système de communication.
La constante diélectrique influence la manière dont les ondes électromagnétiques interagissent avec un matériau. Elle affecte la quantité de rayonnement absorbée, réfléchie ou transmise. La constante diélectrique du silicium étant beaucoup plus élevée que celle de l’air, la plupart des ondes térahertz sont réfléchies à la frontière entre le silicium et l’air au lieu d’être transmises proprement à l’arrière.
Étant donné que la majeure partie du signal est perdue à cette frontière, les approches actuelles utilisent souvent des lentilles en silicium pour augmenter la puissance du signal restant.
Les chercheurs du MIT ont abordé ce problème différemment.
Ils se sont appuyés sur une théorie électromécanique connue sous le nom d’adaptation. Avec l’adaptation, ils cherchent à égaliser les constantes diélectriques du silicium et de l’air, ce qui minimisera la quantité de signal réfléchie à la frontière.
Pour ce faire, ils collent une fine feuille de matériau dont la constante diélectrique se situe entre celle du silicium et celle de l’air à l’arrière de la puce. Grâce à cette feuille d’adaptation, la plupart des ondes seront transmises à l’arrière plutôt que d’être réfléchies.
Légende illustration : En apposant une fine feuille de matériau à motifs au dos de la puce, mise en évidence au centre et illustrée dans la micrographie de gauche, les chercheurs ont produit un générateur d’ondes térahertz plus efficace, mais évolutif, basé sur une puce. Crédit : MIT
Il est rejoint dans cet article par Daniel Sheen et Xibi Chen, étudiants diplômés en EECS, Steven F. Nagle, directeur général du T.J. Rodgers RLE Laboratory, et l’auteur principal Ruonan Han, professeur agrégé en EECS, qui dirige le Terahertz Integrated Electronics Group. Ces travaux seront présentés lors de la conférence internationale de l’IEEE sur les circuits à semi-conducteurs.
Source : MIT
