Elektromagnetiska vågor i terahertz-frekvensområdet erbjuder många fördelar för kommunikation och avancerade applikationer inom skanning och bildbehandling, men att förverkliga deras potential innebär utmaningar. Forskare vid Tohoku University har tagit itu med en av de viktigaste utmaningarna genom att utveckla en ny typ av inställbart filter för signaler i terahertzvågbandet. De publicerade sitt arbete i tidskriften Optics Letters .
Terahertzvågor upptar ett område av det elektromagnetiska spektrumet mellan mikrovågs- och infraröda frekvenser. De har en högre frekvens (kortare våglängd) än radiovågor men en lägre frekvens än synligt ljus. Det alltmer överbelastade radiovågsspektrumet bär den stora mängden data som överförs av WiFi, Bluetooth och nuvarande kommunikationssystem för mobiltelefoner (mobiltelefoner).
Överbelastningen av signaler i lägre frekvensdelar av det elektromagnetiska spektrumet är ett incitament för att utforska alternativen i terahertz-regionen. En annan är kapaciteten att stödja ultrahöga dataöverföringshastigheter. En viktig utmaning för att använda terahertz-signaler för rutintillämpning är dock att kunna ställa in och filtrera signalerna vid specifika frekvenser. Filtrering krävs för att undvika störningar från signaler utanför det önskade frekvensbandet.
"Vi har konstruerat och demonstrerat ett frekvensjusterbart filter för terahertzvågor, som uppnådde en högre överföringshastighet och bättre signalkvalitet än konventionella system, vilket avslöjar potentialen för terahertz trådlös kommunikation", säger Yoshiaki Kanamori från Tohoku-teamet. Han tillägger att arbetet också skulle kunna tillämpas mer allmänt utanför terahertz-frekvensbandet.
Det nya terahertz-filtret är baserat på en enhet som kallas Fabry-Perot-interferometer, som, liksom alla interferometrar, förlitar sig på de interferensmönster som skapas när olika vågor av elektromagnetisk strålning interagerar med varandra när de studsar mellan speglar. Forskarnas version använder fint strukturerade gitter, med gap som är mindre än våglängden på de interagerande vågorna, som material mellan speglarna.
Variabel sträckning av gittren tillåter finkontroll av deras brytningsindex som är nödvändig för att ställa in interferometerns filtreringseffekt. Detta gör att endast den önskade frekvensen kan sändas. Genom att använda olika galler kan man kontrollera olika utvalda frekvensområden.
Teamet har demonstrerat sitt systems applikation för frekvenser som är lämpliga för nästa generations (6G) mobiltelefonsignaler.
"Förutom vår metods tillämpning i kommunikationssystem, tänker vi oss även användningar inom skannings- och bildtekniker inom medicin och industri", säger Kanamori.
En fördel med terahertzvågor vid skanning och bildbehandling är att de lätt kan penetrera material, inklusive biologiska vävnader, som blockerar ljusets passage. Förutom medicinska tillämpningar kan detta erbjuda möjligheter för materialanalys, säkerhetssystem och kvalitetskontroll i tillverkningen.
"Sammantaget erbjuder vårt arbete en enkel och kostnadseffektiv metod för att filtrera och aktivt kontrollera terahertzvågor, vilket kan främja deras användning i många applikationer", avslutar Kanamori.
Mer information: Ying Huang et al, Tunable Fabry–Perot interferometer som drivs i terahertzområdet baserat på en effektiv kontroll av brytningsindex med hjälp av tonhöjdsvariabla subvåglängdsgitter, Optics Letters (2024). DOI:10.1364/OL.515504
Tillhandahålls av Tohoku University
