673886040@qq.com
Разработка электронных устройств следующего поколения с использованием терагерцовых волн
Исследования Руонана Хана увеличивают скорость микроэлектронных схем для создания новых приложений в области связи, зондирования и безопасности.Хан, доцент, недавно работавший на кафедре электротехники и информатики Массачусетского технологического института, специализируется на производстве полупроводников, которые эффективно работают на очень высоких частотах, пытаясь преодолеть так называемый «терагерцовый промежуток».
Терагерцовая область электромагнитного спектра, которая находится между микроволнами и инфракрасным светом, в значительной степени ускользнула от исследователей, потому что обычные электронные устройства слишком медленны, чтобы манипулировать терагерцовыми волнами.
«Традиционно терагерц был неизведанной территорией для исследователей просто потому, что с точки зрения частоты он слишком высок для электронщиков и слишком низок для тех, кто занимается фотоникой», - говорит он. «У нас есть много ограничений в материалах и скоростях устройств, которые могут достигать этих частот, но как только вы доберетесь до них, произойдет много удивительных вещей».
Например, волны терагерцового диапазона могут проходить через твердые поверхности и генерировать очень точные изображения с высоким разрешением того, что находится внутри, говорит Хан.
Радиочастотные (РЧ) волны также могут проходить через поверхности - по этой причине ваш Wi-Fi-роутер может находиться в другой комнате, чем ваш компьютер. Но терагерцовые волны намного меньше радиоволн, поэтому устройства, которые их передают и принимают, тоже могут быть меньше.
Команда Хана вместе с его сотрудницей Анантой Чандракасан, деканом инженерного факультета и профессором электротехники и компьютерных наук Ванневар Буш, недавно продемонстрировали тег терагерцовой частотной идентификации (TFID) размером всего лишь 1 квадратный миллиметр.
«Ему не нужны какие-либо внешние антенны, поэтому это, по сути, просто кусок кремния, который является сверхдешевым, сверхмалым и по-прежнему может выполнять функции, которые может выполнять обычная метка RFID. Поскольку он такой маленький, теперь вы можете пометить практически любой продукт, какой захотите, и отслеживать логистическую информацию, такую как история производства и т. Д. Мы не могли этого делать раньше, но теперь это становится возможным », - говорит он.
Простое радио вдохновило Хана заняться инженерией.
В детстве во Внутренней Монголии, провинции, которая простирается вдоль северной границы Китая, он изучал книги, заполненные схемами и советами по изготовлению печатных плат. Ученик начальной школы сам научился строить радио.
«Я не мог вкладывать много средств в эти электронные компоненты или тратить слишком много времени на то, чтобы возиться с ними, но именно здесь было посеяно зерно», - говорит он. «Я не знал всех деталей того, как это работает, но когда я включил его и увидел, что все компоненты работают вместе, это было действительно потрясающе».
Хан изучал микроэлектронику в университете Фудань в Шанхае, уделяя особое внимание физике полупроводников, проектированию схем и микротехнологии.
Быстрые успехи технологических компаний Кремниевой долины вдохновили Хана поступить в аспирантуру США. Получая степень магистра в Университете Флориды, он работал в лаборатории Кеннета О, пионера терагерцовых интегральных схем, которые сейчас лежат в основе исследований Хана.
«В то время терагерц считался« слишком высоким »для кремниевых чипов, поэтому многие думали, что это безумная идея. Но не я. Мне очень повезло работать с ним », - говорит Хан.
Он продолжил это исследование в качестве аспиранта Корнельского университета, где оттачивал инновационные методы, позволяющие увеличить мощность, которую кремниевые чипы могут генерировать в терагерцовом диапазоне.
«Вместе с моим советником из Корнелла, Эхсаном Афшари, мы экспериментировали с различными типами кремниевых чипов и внедрили множество математических и физических« хитростей », чтобы заставить их работать на очень высоких частотах», - говорит он.
По мере того как фишки становились меньше и быстрее, Хан доводил их до предела.
Хан привнес этот новаторский дух в Массачусетский технологический институт, когда он присоединился к преподавателям EECS в качестве доцента в 2014 году. Он все еще расширял пределы производительности кремниевых чипов, теперь сосредоточившись на практических приложениях.
«Наша цель - не только работать над электроникой, но и исследовать приложения, которые эта электроника может использовать, и продемонстрировать осуществимость этих приложений. Одним из особенно важных аспектов моего исследования является то, что мы не просто хотим иметь дело с терагерцовым спектром, мы хотим сделать его доступным. Мы не хотим, чтобы это происходило только в лабораториях, а чтобы все использовали. Итак, вам нужны очень недорогие и очень надежные компоненты, чтобы иметь возможность предоставлять такие возможности », - говорит он.
Хан изучает использование терагерцового диапазона для быстрой передачи больших объемов данных, которая может вывести беспроводные устройства за пределы 5G. Терагерцовый диапазон тоже может быть полезен для проводной связи. Хан недавно продемонстрировал использование ультратонких кабелей для передачи данных между двумя точками со скоростью 100 гигабит в секунду.
Волны терагерцового диапазона также обладают уникальными свойствами, выходящими за рамки их применения в устройствах связи. Волны заставляют различные молекулы вращаться с уникальной скоростью, поэтому исследователи могут использовать терагерцовые устройства, чтобы определить состав вещества.
«Мы действительно можем делать недорогие кремниевые чипы, которые« чувствуют запах »газа. Мы создали спектрометр, который может одновременно идентифицировать большой диапазон молекул газа с очень низким уровнем ложных срабатываний и высокой чувствительностью. Это то, в чем другой спектр не очень хорош », - говорит он.
Команда Хана использовала эту работу, чтобы изобрести молекулярные часы, которые превращают скорость вращения молекул в высокостабильный электрический синхронизирующий сигнал для систем навигации, связи и восприятия. Хотя он работает так же, как атомные часы, этот кремниевый чип имеет более простую структуру и значительно снижает стоимость и размер.
По словам Хана, работа в неизведанных областях делает эту работу особенно сложной. Несмотря на десятилетия достижений, полупроводниковая электроника все еще недостаточно быстра, поэтому Хан и его ученики должны постоянно вводить новшества, чтобы достичь уровня эффективности, необходимого для терагерцовых устройств.
Работа также требует междисциплинарного мышления. Сотрудничество с коллегами в других областях, таких как химия и физика, позволяет Хану изучить, как технология может привести к созданию новых полезных приложений.
Хан рад, что он учится в Массачусетском технологическом институте, где студенты не боятся решать, казалось бы, неразрешимые проблемы, и он может сотрудничать с коллегами, которые проводят невероятные исследования в своих областях.
«Каждый день мы сталкиваемся с новыми проблемами и думаем об идеях, которые другие люди, даже люди, работающие в этой области, могут посчитать супербезумными. И эта область сейчас находится в зачаточном состоянии. Появляется множество новых материалов и компонентов, постоянно возникают новые потребности и потенциальные применения. Это только начало. Впереди нас ждут очень большие возможности », - говорит он.
