Manipulando a frequência dos sinais terahertz através dos limites temporais

A tecnologia Terahertz poderia nos ajudar a atender à demanda cada vez maior por taxas de transferência de dados mais rápidas. No entanto, a conversão descendente de um sinal terahertz para frequências mais baixas arbitrárias é difícil.

Num estudo recente, investigadores do Japão desenvolveram uma nova estratégia para converter para cima e para baixo um sinal terahertz num guia de ondas, modificando dinamicamente a sua condutividade usando luz, criando um limite temporal. Suas descobertas podem abrir caminho para uma optoeletrônica mais rápida e eficiente e telecomunicações aprimoradas.

À medida que mergulhamos cada vez mais na Era da Informação, a procura por uma transmissão de dados mais rápida continua a aumentar, acentuada pelo rápido progresso em domínios como a aprendizagem profunda e a robótica. Neste contexto, cada vez mais cientistas estão a explorar o potencial da utilização de ondas terahertz para desenvolver tecnologias de telecomunicações de alta velocidade.

No entanto, para usar a banda terahertz de forma eficiente, precisamos de técnicas de multiplexação por divisão de frequência (FDM) para transmitir vários sinais simultaneamente. Obviamente, ser capaz de converter para cima ou para baixo a frequência de um sinal terahertz para outra frequência arbitrária é um pré-requisito lógico para o FDM. Infelizmente, isso tem se mostrado bastante difícil com as tecnologias atuais.

A questão principal é que as ondas terahertz são ondas de frequência extremamente alta do ponto de vista da eletrônica convencional e luz de energia muito baixa no contexto da óptica, excedendo as capacidades da maioria dos dispositivos e configurações em ambos os campos. Portanto, será necessária uma abordagem radicalmente diferente para superar as limitações actuais.

Surpreendentemente, num estudo publicado em Nanofotônica em 20 de maio de 2024, uma equipe de pesquisa incluindo o professor assistente Keisuke Takano da Faculdade de Ciências da Universidade Shinshu, Japão, relatou uma solução inovadora para a conversão descendente de frequência de ondas terahertz.

Seu artigo foi coautor de Fumiaki Miyamaru da Universidade Shinshu, Toshihiro Nakanishi da Universidade de Kyoto, Yosuke Nakata da Universidade de Osaka e Joel Pérez-Urquizo, Julien Madéo e Keshav M. Dani do Instituto de Ciência e Tecnologia de Okinawa.

A estratégia proposta é baseada nas conversões de frequência que ocorrem em sistemas variantes no tempo. Assim como um guia de ondas confina um pacote de ondas viajantes no espaço, existe um conceito análogo que ocorre no tempo, conhecido como guia de ondas temporal. Simplificando, as variações que ocorrem em todo o sistema ao longo do tempo atuarão como um “limite temporal”.

Semelhante aos limites espaciais (por exemplo, a interface entre dois meios diferentes), os limites temporais podem alterar as propriedades de dispersão do guia de ondas, dando origem a diferentes modos de propagação em novas frequências.

Para criar esse limite temporal, os pesquisadores primeiro estabeleceram um guia de ondas de GaAs sobre uma fina camada metálica. À medida que as ondas terahertz viajavam através do guia de ondas no modo magnético transversal (TM), elas iluminavam a superfície nua de GaAs. A fotoexcitação resultante da superfície superior alterou instantaneamente sua condutividade, transformando efetivamente o guia de ondas metalizado inferior em um guia de ondas metalizado duplo paralelo.

Esta transição de uma estrutura de guia de ondas para outra atuou como o limite temporal, no qual os modos TM incidentes do guia de ondas nu se acoplaram ao modo eletromagnético transversal (TEM) do guia de ondas duplamente metalizado. Dado que a curva de dispersão do modo TEM ocupa uma faixa de frequência mais baixa do que a do modo TM incidente, esta abordagem produz uma onda terahertz deslocada para baixo na frequência.

A equipe de pesquisa realizou experimentos que validaram sua análise teórica completa do método de conversão de frequência proposto. Assim, as descobertas deste estudo pintam um futuro brilhante para a próxima tecnologia terahertz.

Takano diz: “Dispositivos de conversão de frequência para ondas terahertz têm potencial para serem aplicados em futuras comunicações sem fio de ultra-alta velocidade. Por exemplo, eles poderiam permitir a replicação de informações entre canais de frequência de ondas terahertz que transportam dados diferentes. Também pode haver dispositivos onde circuitos de processamento de informações de ondas terahertz são integrados com vários componentes de processamento óptico.”

Vale a pena notar que a conversão ascendente através da abordagem proposta também foi demonstrada em um Cartas de revisão física papel. Além disso, a conversão para cima e para baixo pode ser alterada manipulando a polarização das ondas terahertz de entrada, o que ajudaria a tornar o FDM na faixa de terahertz mais conveniente.

Para completar, o presente método de conversão de frequência não está estritamente limitado a guias de onda terahertz e também pode ter implicações importantes em óptica.

“É importante reconhecer que o conceito deste estudo se estende além da faixa de frequência terahertz e também pode ser aplicado à faixa de frequência óptica. Dispositivos de conversão de frequência ultrarrápidos compreendendo guias de onda modulados opticamente com óxido de índio e estanho também podem ser possíveis, com base em recentes descobertas”, disse o Dr. Takano.

Novos desenvolvimentos neste domínio poderão, em última análise, conduzir a telecomunicações mais rápidas e mais eficientes em termos energéticos, ajudando-nos a construir uma sociedade mais interligada e sustentável.