Durante más de treinta años, investigadores han intentado aprovechar la banda de terahertz del espectro electromagnético para aplicaciones prácticas. Esta región, ubicada entre las microondas y la luz infrarroja, podría permitir transmisiones de datos más rápidas y nuevas tecnologías de imagenología. Sin embargo, los sistemas de terahertz han permanecido confinados principalmente a laboratorios porque el equipamiento requerido para generar, manipular y detectar estas señales es típicamente voluminoso, costoso y difícil de escalar a nivel comercial.

El equipo dirigido por investigadores de UCLA adoptó una estrategia diferente a los intentos previos. En lugar de diseñar materiales completamente nuevos, los científicos se enfocaron en pozos cuánticos, capas de semiconductor extremadamente delgadas que ya se utilizan ampliamente en circuitos fotónicos integrados. Durante años, muchos investigadores creían que los pozos cuánticos tendrían dificultades para soportar operaciones eficientes de terahertz porque los electrones podrían quedar atrapados dentro de las estructuras durante demasiado tiempo.

Los investigadores de UCLA demostraron lo contrario. Sus mediciones revelaron que los electrones escapan de los pozos cuánticos en menos de una billonésima de segundo, una velocidad suficiente para soportar operaciones en frecuencias de terahertz. Este hallazgo estableció los pozos cuánticos como una base viable para dispositivos de terahertz integrados.

El equipo utilizó fotodiodos PIN de pozo cuántico fabricados con arseniuro de galio y arseniuro de galio-aluminio (GaAs/AlGaAs). Demostraron que estas estructuras podían tanto generar como detectar señales de terahertz mediante un proceso conocido como fotomezclado interband mejorado por ganancia.

El principio detrás del sistema es relativamente directo. Dos haces de láser con frecuencias ligeramente diferentes se dirigen hacia el dispositivo de pozo cuántico. Cuando las ondas de luz se superponen, crean una oscilación eléctrica igual a la diferencia entre las dos frecuencias de láser. Si esa frecuencia cae dentro del rango de terahertz, el dispositivo produce una señal de terahertz. La misma estructura también puede funcionar en sentido inverso, detectando ondas de terahertz entrantes con alta sensibilidad.

En un prototipo fabricado en un sustrato de circuito fotónico integrado GaAs/AlGaAs, los investigadores demostraron generación y detección de terahertz sintonizable en frecuencia en el rango de 100 a 500 gigahertz, logrando tanto una mayor eficiencia en la generación de terahertz como una sensibilidad mejorada en la detección de terahertz.

El equipo mejoró aún más el rendimiento al integrar un amplificador óptico semiconductor en el mismo chip. Esto aumentó la eficiencia de generación de terahertz aproximadamente un orden de magnitud, es decir, alrededor de diez veces, mientras reducía la potencia óptica requerida para la operación.

El trabajo forma la base de lo que el equipo denomina la plataforma de Optoelectrónica de Terahertz Integrada Monolíticamente (MITO, por sus siglas en inglés), diseñada para soportar fuentes, detectores, amplificadores, moduladores y otros componentes fotónicos en un sustrato semiconductor compartido utilizando métodos de fabricación ya compatibles con fundiciones fotónicas comerciales.

Mona Jarrahi, una de las autoras del estudio y profesora de ingeniería en la Universidad de California, Los Ángeles, explicó la importancia del hallazgo: "Al demostrar que muchas de estas funciones pueden integrarse en un único chip utilizando plataformas de fabricación estándar de la industria, nuestro estudio abre la puerta a tecnologías de terahertz prácticas y escalables para aplicaciones del mundo real".

Aunque el prototipo aún depende de láseres externos, la plataforma fue diseñada con la integración futura en mente. Los investigadores prevén eventualmente incorporar láseres sintonizables y componentes fotónicos adicionales directamente en el chip, creando sistemas de terahertz más completos en un formato compacto.

Si la plataforma demuestra ser escalable, podría tener un impacto similar al que los circuitos integrados tuvieron en la electrónica convencional, reemplazando grandes conjuntos de laboratorio con chips compactos y manufacturables. Tales sistemas podrían soportar futuras tecnologías de comunicación inalámbrica que operen más allá de las redes actuales, mientras también permiten dispositivos de imagenología portátiles, sistemas de detección química, herramientas de inspección industrial y plataformas avanzadas de teledetección.

El trabajo se distingue de muchos esfuerzos anteriores de integración de terahertz porque combina generación eficiente de señales y detección sensible en una plataforma que permanece compatible con procesos de fabricación fotónica establecidos. Esta compatibilidad podría hacer que la producción a gran escala sea más realista que los enfoques que requieren técnicas de fabricación especializadas.

Sin embargo, la tecnología aún se encuentra en etapa de prototipo, y queda trabajo de ingeniería significativo antes de que sistemas completamente integrados de comunicación o imagenología de terahertz estén disponibles comercialmente. Los próximos pasos incluyen incorporar componentes adicionales en el chip, mejorar el rendimiento y expandir la plataforma hacia matrices más grandes de fuentes y detectores de terahertz.