O uso de ondas terahertz, que têm comprimentos de onda mais curtos e frequências mais altas do que as ondas de rádio, pode permitir uma transmissão de dados mais rápida, imagens médicas mais precisas e radar de maior resolução.

Mas gerar ondas terahertz efetivamente usando um chip semicondutor, o que é essencial para incorporação em dispositivos eletrônicos, é notoriamente difícil.

Muitas técnicas atuais não conseguem gerar ondas com potência de radiação suficiente para aplicações úteis, a menos que utilizem lentes de silício volumosas e caras. Maior potência de radiação permite que sinais de terahertz viajem mais longe. Essas lentes, que geralmente são maiores do que o próprio chip, dificultam a integração da fonte de terahertz em um dispositivo eletrônico.

Para superar essas limitações, pesquisadores do MIT desenvolveram um sistema amplificador-multiplicador de terahertz que atinge maior potência de radiação do que os dispositivos existentes, sem a necessidade de lentes de silício.

Ao fixar uma fina folha de material padronizado na parte traseira do chip e utilizar transistores Intel de maior potência, os pesquisadores produziram um gerador de ondas terahertz baseado em chip mais eficiente, porém escalável.

Este chip compacto poderia ser usado para criar matrizes de terahertz para aplicações como scanners de segurança aprimorados para detectar objetos ocultos ou monitores ambientais para localizar poluentes no ar.

“Para aproveitar ao máximo uma fonte de onda de terahertz, precisamos que ela seja escalável. Um conjunto de terahertz pode ter centenas de chips, e não há lugar para colocar lentes de silício porque os chips são combinados com uma densidade tão alta. Precisamos de um pacote diferente, e aqui demonstramos uma abordagem promissora que pode ser usada para conjuntos de terahertz escaláveis e de baixo custo”, diz Jinchen Wang, um estudante de pós-graduação no Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) e autor principal de um artigo sobre o radiador de terahertz.

Ele é acompanhado no artigo pelos estudantes de pós-graduação da EECS Daniel Sheen e Xibi Chen; Steven F. Nagle, diretor administrativo do TJ Rodgers RLE Laboratory; e o autor sênior Ruonan Han, professor associado da EECS, que lidera o Terahertz Integrated Electronics Group. A pesquisa será apresentada na IEEE International Solid-States Circuits Conference.

As ondas de terahertz ficam no espectro eletromagnético entre as ondas de rádio e a luz infravermelha. Suas frequências mais altas permitem que elas carreguem mais informações por segundo do que as ondas de rádio, enquanto podem penetrar com segurança uma gama maior de materiais do que a luz infravermelha.

Uma maneira de gerar ondas de terahertz é com uma cadeia amplificador-multiplicadora baseada em chip CMOS que aumenta a frequência das ondas de rádio até que elas atinjam a faixa de terahertz. Para atingir o melhor desempenho, as ondas passam pelo chip de silício e são eventualmente emitidas para o ar livre.

Mas uma propriedade conhecida como constante dielétrica atrapalha uma transmissão suave.

A constante dielétrica influencia como as ondas eletromagnéticas interagem com um material. Ela afeta a quantidade de radiação que é absorvida, refletida ou transmitida. Como a constante dielétrica do silício é muito maior do que a do ar, a maioria das ondas terahertz são refletidas na fronteira silício-ar em vez de serem transmitidas de forma limpa para trás.

Como a maior parte da intensidade do sinal é perdida nessa fronteira, as abordagens atuais geralmente usam lentes de silício para aumentar a potência do sinal restante. 

Os pesquisadores do MIT abordaram esse problema de forma diferente.

Eles se basearam em uma teoria eletromecânica conhecida como matching. Com o matching, eles buscam igualar as constantes dielétricas do silício e do ar, o que minimizará a quantidade de sinal que é refletida na fronteira.

Eles conseguem isso colando uma fina folha de material que tem uma constante dielétrica entre silício e ar na parte de trás do chip. Com essa folha correspondente no lugar, a maioria das ondas será transmitida para fora da parte de trás em vez de ser refletida.

Eles escolheram um material de substrato de baixo custo, disponível comercialmente, com uma constante dielétrica muito próxima do que precisavam para a correspondência. Para melhorar o desempenho, eles usaram um cortador a laser para fazer pequenos furos na folha até que sua constante dielétrica estivesse exatamente correta.

“Como a constante dielétrica do ar é 1, se você apenas cortar alguns furos de subcomprimento de onda na folha, isso equivale a injetar um pouco de ar, o que reduz a constante dielétrica geral da folha correspondente”, explica Wang.

Além disso, eles projetaram seu chip com transistores especiais desenvolvidos pela Intel que têm frequência máxima e tensão de ruptura maiores do que os transistores CMOS tradicionais.

“Essas duas coisas juntas, os transistores mais potentes e a folha dielétrica, além de algumas outras pequenas inovações, nos permitiram superar vários outros dispositivos”, diz ele.

O chip deles gerou sinais de terahertz com um pico de potência de radiação de 11,1 decibéis-miliwatts, o melhor entre as técnicas de última geração. Além disso, como o chip de baixo custo pode ser fabricado em escala, ele poderia ser integrado a dispositivos eletrônicos do mundo real mais prontamente.

Um dos maiores desafios do desenvolvimento de um chip escalável foi determinar como gerenciar a potência e a temperatura ao gerar ondas de terahertz.

“Como a frequência e a potência são tão altas, muitas das maneiras padrão de projetar um chip CMOS não são aplicáveis aqui”, diz Wang.

Os pesquisadores também precisavam desenvolver uma técnica para instalar a folha correspondente que pudesse ser ampliada em uma unidade de fabricação.

No futuro, eles querem demonstrar essa escalabilidade fabricando uma matriz em fase de fontes CMOS de terahertz, permitindo-lhes direcionar e focar um poderoso feixe de terahertz com um dispositivo compacto e de baixo custo.

Esta pesquisa é apoiada, em parte, pelo Jet Propulsion Laboratory e Strategic University Research Partnerships Program da NASA, bem como pelo MIT Center for Integrated Circuits and Systems. O chip foi fabricado pelo Intel University Shuttle Program.