Zvětšit obrázek

Harish Bhat

Mikrovlny s frekvencemi od pár stovek gigahertzů (GHz) až do něco málo nad 1 terrahertz (THz) pronikají jen do malé hloubky pod povrch bez poškození, které způsobují rentgenové paprsky. Tato technologie by mohla být použita třeba k detekci rakoviny kůže nebo zobrazení zubních kazů. Mohl by to být také užitečný nástroj pro letištní ostrahu k detekování objektů skrytých pod oblečením.

 

Ehsan Afshari pracuje v laboratoři UNIC (Ultra high-speed nonlinear integrated cirquit) při Cornellově univerzitě.

Většina z těchto aplikací vyžaduje malé a nenákladné přenosné technické zařízení, které může generovat signály v oblasti od GHz po THz s více než jednowatovým výkonem. Až dosud byly tranzistory na standardním křemíkovém čipu omezeny na pár miliwatů do zhruba 100 GHz.

Nyní navrhl Harish Bhat, odborný asistent matematiky na University of California-Merced, metodu použitelnou na běžném křemíkovém čipu generující vysokovýkonný signál na frekvencích od 200 GHz výše.

Matematická analýza vyšla v květnovém vydání časopisu Physical Review. Ehsan Afshari a Harish Bhat v ní  navrhují využít fenoménu známého jako nelineární konstruktivní interference. Lineární konstruktivní interference se objevují, když dva signály, které jsou ve fázi – tj. s párovými maximy a minimy – vytvoří nový signál, kde se jejich síla sčítá. 

Lineární konstruktivní interference se objevují, když se dva signály ve fázi kombinují, aby vytvořily signál, jehož amplituda je součtem těchto dvou zdrojů. (Credit: Cornell University)

Pokud  ale signály prochází nerovnoměrným prostředím, vlny se deformují, některé se zpozdí, některé postoupí vpřed, aby vytvořily „nelineární“ výsledek, který kombinuje mnoho malých vln do méně velkých vrcholů.

Zvětšit obrázek

K vytvoření nelineární konstruktivní interference navrhli Afshari a Bhat mřížku ze čtverců sestavenou z indukčních cívek v každém spojení uzemněných přes kondenzátor s proměnnou kapacitou. Když jsou na vertikální i horizontální dráty mřížky současně přiváděny slabé signály s určitou frekvencí, tak tyto vlny postupem mřížkou vytváří harmonické signály v násobku původní amplitudy i frekvence. Ze středu mřížky může být silný vysokofrekvenční signál odebírán.

Afshari: „Je to podobné jako vlny na moři. Na otevřeném oceánu se vlny projevují jako jemné vlnění. Ale blízko pobřeží vlny naráží na nestejně hluboký povrch pobřeží v různých hloubkách a to způsobuje velké vlny tříštící se v příboji.

K vytvoření tohoto efektu na mikroprocesoru navrhli výzkumníci zvláštní konstrukci tvořící jakousi mřížku ze čtverců sestavenou z indukčních cívek „uzemněných“ přes kondenzátor. Elektrická vlna se pohybuje přes mřížku při střídavém „plnění“ každé cívky a pak vybíjením napětí do sousedního kondenzátoru. Kondenzátor dočasně uchovává a pak vydává elektrony a tyto kondenzátory vytvořené z vrstev křemíku a oxidu křemičitého jsou navrženy tak, aby měnily svou kapacitu, jak se napětí signálu mění, což vytváří analogii rozdílných hloubek mořské pláže a deformují načasování elektrických signálů, které jimi prochází.

Podle počítačových simulací od Afshariho a Bhata může být tento princip implementován na běžné křemíkové (CMOS) čipy ke generování signálů o frekvencích značně převyšujících běžné frekvence takového čipu s přinejmenším desetinásobným výkonem. Vědci předpokládají, že je tak možné vytvořit frekvence až do přibližně 1,16 THz.

Další výzkum možná brzo napoví, k jakým dalším aplikacím by se mohlo zesilování vysokofrekvenčních signálů hodit.

Zdroj: Cornell University.