Прорывные исследования в области беспроводной связи стремятся использовать потенциал терагерцовых (ТГц) волн, находящихся в дальнем инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра. Эти волны несут в себе огромные перспективы для высокоскоростной передачи данных и неинвазивной визуализации, открывая новые горизонты в самых разных областях, от обеспечения безопасности до контроля качества. Однако для реализации этого потенциала требуется эффективное управление частотой ТГц-излучения. Здесь на помощь приходят квантовые материалы, и в особенности графен.
Графен, представляющий собой двухмерный материал из одного слоя атомов углерода, обладает уникальными оптическими свойствами, позволяющими манипулировать сигналами. Интеграция графена в устройства позволяет усиливать нелинейные эффекты ТГц-излучения, которые необходимы для изменения частоты волн. Эта возможность важна для создания высокоскоростных систем беспроводной связи и обработки сигналов, которые станут основой технологий 6G и последующих поколений.
Ключевая задача заключается в повышении эффективности преобразования частоты, или «апконверсии», электромагнитных сигналов в более высокие частоты колебаний. Это позволит преодолеть разрыв между гигагерцовой электроникой и терагерцовой фотоникой, открывая путь к более совершенным и быстрым беспроводным системам связи.
Команда исследователей из Университета Оттавы (uOttawa) во главе с профессором физики Жаном-Мишелем Менаром, совместно с докторантом Али Малеки и исследователем Робертом В. Бойдом, а также их коллегами из Университета Байройта (Германия) Морицем Б. Хейндлем и Георгом Херинком, и компанией Iridian Spectral Technologies, представили новаторские стратегии для усиления нелинейных эффектов в устройствах на основе графена.
Результаты их работы, опубликованные в журнале Light: Science & Applications в 2025 году, демонстрируют значительный прогресс в повышении эффективности преобразователей частоты ТГц-излучения. Это крайне важно для мультиспектральных приложений ТГц и, в особенности, для будущих систем связи, таких как 6G. Исследователи сумели преодолеть предыдущие ограничения в экспериментах с одним параметром, где наблюдались слабые нелинейные эффекты. Новый подход объединяет несколько инновационных методов для максимизации уникальных свойств графена.
Как отметил профессор Менар, это исследование знаменует собой значительный шаг вперед в улучшении эффективности преобразователей частоты ТГц, что является критическим аспектом для мультиспектральных ТГц-приложений и особенно для будущих систем связи, таких как 6G.
Али Малеки подчеркнул, что их экспериментальная платформа и новые архитектуры устройств открывают возможность исследовать широкий спектр материалов, помимо графена, и потенциально выявить новые нелинейные оптические механизмы.
Работа под названием "Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures" (стратегии усиления генерации гармоник ТГц с использованием многослойных, управляемых и метаматериальных архитектур) за авторством Али Малеки и других, предоставляет детальный анализ новых подходов. DOI статьи – 10.
Исследователи видят перспективы дальнейших исследований в изучении материалов, отличных от графена, а также в поиске новых нелинейных оптических механизмов. Это поможет усовершенствовать методы преобразования частоты ТГц-излучения и разработать эффективные, интегрированные в чип нелинейные преобразователи сигналов ТГц для будущих систем связи.
Таким образом, работа команды uOttawa и их коллабораторов не только открывает новые пути для использования графена в технологиях ТГц, но и закладывает основу для создания более быстрых, эффективных и перспективных систем беспроводной связи следующего поколения. Использование ТГц волн и квантовых материалов, таких как графен, является ключом к будущему высокоскоростной беспроводной связи, потенциал которой мы только начинаем раскрывать.
Изображение носит иллюстративный характер
Графен, представляющий собой двухмерный материал из одного слоя атомов углерода, обладает уникальными оптическими свойствами, позволяющими манипулировать сигналами. Интеграция графена в устройства позволяет усиливать нелинейные эффекты ТГц-излучения, которые необходимы для изменения частоты волн. Эта возможность важна для создания высокоскоростных систем беспроводной связи и обработки сигналов, которые станут основой технологий 6G и последующих поколений.
Ключевая задача заключается в повышении эффективности преобразования частоты, или «апконверсии», электромагнитных сигналов в более высокие частоты колебаний. Это позволит преодолеть разрыв между гигагерцовой электроникой и терагерцовой фотоникой, открывая путь к более совершенным и быстрым беспроводным системам связи.
Команда исследователей из Университета Оттавы (uOttawa) во главе с профессором физики Жаном-Мишелем Менаром, совместно с докторантом Али Малеки и исследователем Робертом В. Бойдом, а также их коллегами из Университета Байройта (Германия) Морицем Б. Хейндлем и Георгом Херинком, и компанией Iridian Spectral Technologies, представили новаторские стратегии для усиления нелинейных эффектов в устройствах на основе графена.
Результаты их работы, опубликованные в журнале Light: Science & Applications в 2025 году, демонстрируют значительный прогресс в повышении эффективности преобразователей частоты ТГц-излучения. Это крайне важно для мультиспектральных приложений ТГц и, в особенности, для будущих систем связи, таких как 6G. Исследователи сумели преодолеть предыдущие ограничения в экспериментах с одним параметром, где наблюдались слабые нелинейные эффекты. Новый подход объединяет несколько инновационных методов для максимизации уникальных свойств графена.
Как отметил профессор Менар, это исследование знаменует собой значительный шаг вперед в улучшении эффективности преобразователей частоты ТГц, что является критическим аспектом для мультиспектральных ТГц-приложений и особенно для будущих систем связи, таких как 6G.
Али Малеки подчеркнул, что их экспериментальная платформа и новые архитектуры устройств открывают возможность исследовать широкий спектр материалов, помимо графена, и потенциально выявить новые нелинейные оптические механизмы.
Работа под названием "Strategies to enhance THz harmonic generation combining multilayered, gated, and metamaterial-based architectures" (стратегии усиления генерации гармоник ТГц с использованием многослойных, управляемых и метаматериальных архитектур) за авторством Али Малеки и других, предоставляет детальный анализ новых подходов. DOI статьи – 10.
Исследователи видят перспективы дальнейших исследований в изучении материалов, отличных от графена, а также в поиске новых нелинейных оптических механизмов. Это поможет усовершенствовать методы преобразования частоты ТГц-излучения и разработать эффективные, интегрированные в чип нелинейные преобразователи сигналов ТГц для будущих систем связи.
Таким образом, работа команды uOttawa и их коллабораторов не только открывает новые пути для использования графена в технологиях ТГц, но и закладывает основу для создания более быстрых, эффективных и перспективных систем беспроводной связи следующего поколения. Использование ТГц волн и квантовых материалов, таких как графен, является ключом к будущему высокоскоростной беспроводной связи, потенциал которой мы только начинаем раскрывать.
