Почему будущее беспроводной связи зависит от графена и терагерцового излучения?

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.
Почему будущее беспроводной связи зависит от графена и терагерцового излучения?
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.


Новое на сайте