Des chercheurs de l’UCLA ont démontré une méthode pratique pour intégrer la génération et la détection d’ondes térahertz sur une seule puce semi-conductrice en utilisant des techniques de fabrication standard de l’industrie, ouvrant la voie à des communications sans fil plus rapides, des dispositifs d’imagerie portables et des capteurs chimiques compacts qui pourraient à terme faire passer les systèmes térahertz d’équipements de laboratoire encombrants à des puces manufacturables.
Le rayonnement térahertz occupe le spectre électromagnétique entre les micro-ondes et la lumière infrarouge, environ 0,1 à 10 térahertz. Les chercheurs ont longtemps reconnu son potentiel pour les communications à large bande, le balayage de sécurité et la détection scientifique, mais les systèmes pratiques sont restés largement confinés aux paillasses de laboratoire car la génération et la détection fiables de signaux térahertz nécessitaient des équipements spécialisés et des matériaux exotiques.
L’approche de l’équipe de l’UCLA, qu’elle appelle la plateforme Monolithically Integrated Terahertz Optoelectronics (MITO), intègre des sources, des détecteurs, des amplificateurs et des modulateurs sur un substrat semi-conducteur partagé. Les composants clés sont des photodiodes PIN à puits quantiques fabriquées à partir d’arséniure de gallium et d’arséniure d’aluminium et de gallium (GaAs/AlGaAs), des matériaux déjà largement utilisés dans les circuits photoniques intégrés commerciaux.
Le dispositif fonctionne en dirigeant deux faisceaux laser avec des fréquences légèrement différentes dans la structure du puits quantique. Le chevauchement crée une oscillation électrique égale à la différence de fréquence entre les deux faisceaux. Lorsque cette différence tombe dans la gamme des térahertz, un signal térahertz est produit. La même structure peut fonctionner en sens inverse pour détecter les ondes térahertz entrantes avec une grande sensibilité.
Lors des tests sur prototype, la plateforme MITO a démontré une génération et une détection térahertz accordables en fréquence sur la gamme de 100 à 500 gigahertz, la partie inférieure de la bande térahertz. De manière cruciale, l’équipe a intégré un amplificateur optique à semi-conducteur sur la même puce qui a multiplié par environ dix l’efficacité de génération tout en réduisant la puissance optique requise.
Une hypothèse précédente dans le domaine soutenait que les électrons piégés dans les puits quantiques s’échapperaient trop lentement pour permettre un fonctionnement à fréquence térahertz. Les mesures de l’équipe de l’UCLA ont montré que les électrons s’échappent en moins d’un billionième de seconde, assez rapidement pour le régime térahertz.
« En démontrant que nombre de ces fonctions peuvent être intégrées sur une seule puce en utilisant des plateformes de fabrication standard éprouvées, notre étude ouvre la voie à des technologies térahertz pratiques et évolutives pour des applications réelles », a déclaré Mona Jarrahi, professeure d’ingénierie à l’UCLA et chercheuse principale du projet.
Le prototype actuel repose encore sur des lasers externes, mais la plateforme est conçue pour accueillir à terme des lasers accordables sur puce et des composants photoniques supplémentaires. Les prochaines étapes de l’équipe comprennent l’intégration de davantage de composants, l’amélioration des performances et le passage à l’échelle de réseaux plus grands de sources et de détecteurs térahertz.
La recherche a été publiée dans Nature Communications.
Traduit par Lydie
Sources: A chip that creates and senses terahertz waves could shrink future networks (Interesting Engineering, juillet 2026); Nature Communications