Halbleiter 23. Dez 2022 Von Elke von Rekowski

Chip soll Terahertzstrahlung nutzbar machen

Einen Chip mit optischem Kern, der erstmals Terahertzstrahlung empfangen, verarbeiten und senden kann, will Maurizio Burla von der TU Berlin bauen. Ein solcher Chip würde zum Beispiel Anwendungen in der Medizin und in der kommenden Mobilfunkgeneration 6G ermöglichen

Bis 2027 soll der Prototyp eines Chips mit optischem Kern fertiggestellt sein, der Terahertzstrahlung empfangen, verarbeiten und senden kann.
Foto: PantherMedia / agsandrew

Terahertzstrahlen kennen die meisten Menschen durch die Körperscanner, die heute in einigen Flughäfen bei den Sicherheitskontrollen als Alternative zum Abtasten von Reisenden eingesetzt werden. Die Strahlen könnten noch deutlich mehr: So könnten sie beispielsweise in der Medizin die Heilung komplizierter Brandwunden unter dem Verband erkennen, ohne diesen häufig wechseln zu müssen und dabei das Gewebe zu beschädigen. Auch die Unterscheidung von Tumoren und gesundem Gewebe bei Operationen oder der Krebsfrüherkennung würde Terahertzstrahlung erleichtern.

„Solche Anwendungen erfordern jedoch eine viel höhere Auflösung als Körperscanner“, erklärt Maurizio Burla, neuer Leiter des Lehrstuhls für Hochfrequenztechnikphotonik an der Technischen Universität (TU) Berlin. Auch eine kompakte und kostengünstige Bauweise sei entscheidend für eine gute Handhabbarkeit und große Verbreitung.

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Millionenförderung für neuen Chip

Bislang ist Terahertzstrahlung sozusagen die klaffende Lücke zwischen Radiowellen und Mikrowellen auf der einen sowie Infrarot- und Lichtstrahlen auf der anderen Seite des elektromagnetischen Spektrums. Anders als bei elektromagnetischen Wellen mit kleineren oder größeren Frequenzen existiert aber bislang noch keine Chiptechnologie, die diese Strahlung effizient und damit kostengünstig verarbeiten kann.

Die fehlende Chiptechnologie ist ein deutlicher Nachteil, denn immerhin bildet Terahertzstrahlung auch die Grundlage für die nächste Mobilfunkgeneration 6G. Neben bildgebenden Verfahren in der Medizin ist die Strahlung zudem für neuartige Sensoren wichtig. Nicht zuletzt bietet das Terahertzspektrum in der Astronomie die Möglichkeit, Atome und Moleküle im Weltraum aufzuspüren. Maurizio Burla will deshalb eine für Terahertzwellen geeignete Chiptechnologie entwickeln, die auf einer Symbiose von elektrischen und lichtleitenden Komponenten basiert.

Lab-on-a-Chip: Blitzschnell vom Prototypen in die Serie

Die gute Handhabbarkeit und große Verbreitung sind vor allem für die Anwendung von Terahertzstrahlen im Mobilfunk wichtig. Die neue 6G-Mobilfunkgeneration wird auf Terahertz- oder Subterahertzstrahlen im Bereich von 100 GHz bis 300 GHz basieren, also frequenzmäßig eher im unteren Bereich. Wegen der hohen Zahlenwerte gibt es in dem Bereich eine große Spanne von Einzelfrequenzen, die genutzt werden können. Wenn Informationen über viele Frequenzen gleichzeitig übertragen werden, ließen sich mit dieser großen „Bandbreite“ mehrere Hundert Gigabit pro Sekunde senden. Zudem könnten dank der großen Frequenzspanne viele Anbieter und unterschiedliche Anwendungen in das System integriert werden.

Neuer Chip soll Terahertzwellen bändigen

Es ist jedoch ein physikalisches Gesetz, dass hochfrequente Wellen, die häufig zwischen ihren Wellenbergen und -tälern wechseln, bei der Übertragung viel stärker abgeschwächt werden als niederfrequente. Es gilt daher, die Wellen stärker auf ihre Zielprodukte zu fokussieren.

„Die Antennen müssen gezielt senden und die Objekte verfolgen, wenn sie sich bewegen. Auch die korrekte Verstärkung von schwachen Eingangssignalen hat hier eine besondere Bedeutung“, so Burla. All dies erfordere eine integrierte, analoge Verarbeitung von Terahertzwellen. „Genau dafür ist unser neuer Chip gedacht“, erklärt der Wissenschaftler.

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Aktuell noch schwierig

Mit den heute verfügbaren Komponenten kommt es dabei aber zu großen Schwierigkeiten: In der Elektronik geht der Verstärkungseffekt von Transistoren mit zunehmender Frequenz gegen null. „Analoge Elektronik stößt bei diesen hohen Frequenzen einfach an ihre physikalischen Grenzen“, sagt Maurizio Burla.

„Leider gilt das auch für die digitale Elektronik, und zwar aus praktisch denselben Gründen“, weiß Burla. Die Umwandlung von Terahertzwellen in Nullen und Einsen und die anschließende digitale Verarbeitung der Signale sei aufgrund der begrenzten Geschwindigkeit und des hohen Stromverbrauchs der Wandler sehr schwierig – wenn die Frequenzen zu hoch werden.

Photonischer Chip als Lösung

Die Lösung für diese Probleme sieht Burla in einer Technologie, die eigentlich für viel höhere Frequenzen entwickelt wurde: in der Photonik. Dabei leiten winzige, mikro- und nanometergroße Strukturen in Halbleitern oder Gläsern Lichtwellen, die meist von Lasern stammen.

Ähnlich wie der Strom in der Elektronik lassen Lichtwellen sich auf diese Weise verstärken und in logischen Schaltkreisen flexibel verarbeiten. Der Wissenschaftler will die Laserstrahlen mit den Terahertzsignalen „modulieren“, um diese Modulationen mithilfe der etablierten photonischen Elemente verarbeiten zu können.

Erster Demo-Chip für 2027 geplant

„Durch die Modulation können wir nun alle Informationen aus den Terahertzwellen mithilfe der Laserstrahlen in den bekannten photonischen Bauelementen verarbeiten“, sagt Burla. Das ist ein großer Vorteil, denn in der Photonik werden bereits hochintegrierte, das heißt, sehr kompakte Bauweisen eingesetzt.

Dennoch gebe es noch viel Entwicklungsarbeit zu leisten, betont Burla. So müssten die Wandler aufgrund der großen Bandbreite der Terahertzwellen gleichmäßig (linear) über einen sehr großen Frequenzbereich arbeiten. Außerdem sollten sie alle Eigenschaften der Terahertzwellen exakt umwandeln, ohne Bereiche abzuschneiden und gleichzeitig ohne zu viel Rauschen hinzuzufügen. Burla zeigt sich zuversichtlich, dass er am Ende der fünfjährigen Projektlaufzeit im Jahr 2027 den ersten Demo-Chip für Terahertzstrahlen präsentieren kann.

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