Pesquisadores da Universidade de Tohoku desenvolveram um filtro sintonizável para sinais de ondas terahertz, facilitando taxas de transmissão mais altas e melhor qualidade do sinal. Este avanço, crucial para o avanço das aplicações terahertz em comunicação, imagens médicas e análise industrial, promete desbloquear todo o potencial das ondas terahertz em vários campos.
As ondas eletromagnéticas de frequência Terahertz são uma promessa significativa para avanços na comunicação, bem como nas tecnologias de digitalização e imagem. No entanto, aproveitar o seu potencial está repleto de obstáculos. Uma equipe da Universidade de Tohoku fez um grande avanço ao criar um novo tipo de filtro ajustável especificamente para o espectro de ondas terahertz. Suas descobertas foram publicadas na revista Cartas Ópticas.
As ondas Terahertz ocupam uma região do espectro eletromagnético entre as frequências de microondas e infravermelhas. Eles têm uma frequência mais alta (comprimento de onda mais curto) que as ondas de rádio, mas uma frequência mais baixa que a luz visível. O espectro de ondas de rádio cada vez mais congestionado transporta a grande quantidade de dados transmitidos por WiFi, Bluetooth e sistemas atuais de comunicação de telefonia móvel (celular).
Conceito esquemático do filtro sintonizável desenvolvido. (a) Vista em corte transversal do filtro; (b) relação entre período e índice de refração; (c) mudança de frequência devido à mudança do índice de refração. Crédito: Ying Huang et al.
O congestionamento de sinais nas partes de frequência mais baixa do espectro eletromagnético é um incentivo para explorar as opções na região dos terahertz. Outra é a capacidade de suportar taxas de transmissão de dados ultra-elevadas. Um desafio importante no uso de sinais terahertz para aplicações de rotina, entretanto, é ser capaz de sintonizar e filtrar os sinais em frequências específicas. A filtragem é necessária para evitar interferência de sinais fora da banda de frequência desejada.
Avanço na filtragem de Terahertz
“Construímos e demonstramos um filtro sintonizável em frequência para ondas terahertz, que alcançou uma taxa de transmissão mais alta e melhor qualidade de sinal do que os sistemas convencionais, revelando o potencial para comunicações sem fio terahertz”, disse Yoshiaki Kanamori da equipe de Tohoku. Ele acrescenta que o trabalho também poderia ser aplicado de forma mais ampla fora da faixa de frequência terahertz.
O metamaterial variável de índice de refração mecanicamente. Crédito: Ying Huang et al.
O novo filtro terahertz é baseado em um dispositivo chamado interferômetro Fabry-Perot, que, como todos os interferômetros, depende dos padrões de interferência criados quando diferentes ondas de radiação eletromagnética interagem entre si à medida que saltam entre os espelhos. A versão dos pesquisadores usa grades finamente estruturadas, com lacunas menores que o comprimento de onda das ondas em interação, como material entre os espelhos. O estiramento variável das grades permite o controle preciso do seu índice de refração necessário para ajustar o efeito de filtragem do interferômetro. Isso permite que apenas a frequência desejada seja transmitida. O uso de diferentes grades permite o controle sobre diferentes faixas de frequência selecionadas.
Expandindo aplicações e vantagens
A equipe demonstrou a aplicação de seu sistema para frequências adequadas para sinais de telefonia móvel de próxima geração (6G).
A sintonia do índice de refração e frequência por controle de período. Crédito: Ying Huang et al.
“Além da aplicação do nosso método em sistemas de comunicação, também prevemos utilizações em tecnologias de digitalização e imagem na medicina e na indústria”, diz Kanamori.
Uma vantagem das ondas terahertz na varredura e na geração de imagens é que elas podem penetrar facilmente em materiais, incluindo tecidos biológicos, que bloqueiam a passagem da luz. Além de aplicações médicas, isso pode oferecer oportunidades para análise de materiais, sistemas de segurança e controle de qualidade na fabricação.
“No geral, nosso trabalho oferece um método simples e econômico para filtrar e controlar ativamente ondas terahertz, o que poderia avançar seu uso em muitas aplicações”, conclui Kanamori.
Referência: “Interferômetro Fabry-Perot ajustável operado na faixa de terahertz com base em um controle de índice de refração eficaz usando redes de comprimento de onda de passo variável” por Ying Huang, Naoki Inomata, Taiyu Okatani, Yoshiaki Kanamori e Yangxun Liu, 14 de fevereiro de 2024, Cartas Ópticas.
DOI: doi:10.1364/OL.515504
