Il progetto T-NEXT mira allo sviluppo di componenti elettronici e ottici funzionali per sistemi di comunicazione ottica nello spazio libero nella gamma di frequenze THz (1 – 5 THz).
Le attività del progetto si concentrano su quattro obiettivi di ricerca principali:
Obiettivo 1. Sviluppo di sorgenti THz ad alta efficienza nella gamma di frequenza 2-5 THz, compresi i laser quantistici a cascata miniaturizzati.
Obiettivo 2. Sviluppo di rivelatori veloci e sensibili nell’intervallo 1-5 THz, tra cui architetture multipixel basate su CMOS e nanodetector veloci a temperatura ambiente basati su grafene monostrato ad ampia superficie.
Obiettivo 3. Progettazione e sviluppo di modulatori e metasuperfici per la modulazione e il modellamento del fascio ottico.
Obiettivo 4. Studio e realizzazione di sistemi integrati per una piattaforma di comunicazione ottica nello spazio libero (FSOC).
T-NEXT fa parte dello Spoke 3 – Wireless Networks and Technologies
PI di progetto: Miriam Serena Vitiello
O1. Nell'ambito di questo obiettivo, l'unità del CNR ha sviluppato laser a cascata quantica (QCL) miniaturizzati THz con frequenze di emissione personalizzate nell'intervallo 2-5 THz, che corrispondono alle poche finestre di trasparenza atmosferica (ad esempio 3,44 THz). L'attività segue due percorsi alternativi. Da un lato, abbiamo sviluppato QCL THz monomodali con elevata potenza di uscita (~ 10 mW). Dall'altro, abbiamo dimostrato la possibilità di ottenere pettini di frequenza armonica (HFC) ingegnerizzando la guida d'onda dei laser a semiconduttore. Gli HFC basati su QCL sono sorgenti THz il cui spettro è caratterizzato da pochi modi equidistanti, ciascuno dei quali trasporta una potenza ottica > 1 mW. Parallelamente, abbiamo dimostrato la possibilità di misurare in tempo reale la temperatura on-chip dei QCL THz integrando termometri a base di grafene a bordo del chip QCL. La calibrazione dei due set-up è stata effettuata per confrontare l'accuratezza e la sensibilità.
O2. Il progetto sviluppa contemporaneamente due diverse piattaforme tecnologiche per ideare fotorivelatori THz: da un lato dispositivi basati sulla tecnologia CMOS, dall'altro dispositivi realizzati in grafene. Nel primo caso, UNISAP ha implementato una piattaforma (TCAD) per la simulazione dell'effetto di rettifica (auto-miscelazione) all'interno di transistor a effetto di campo eccitati da radiazioni THz. Queste simulazioni preliminari ci hanno permesso di stabilire i parametri geometrici ottimali per la creazione di fotorivelatori scalabili a temperatura ambiente, potenzialmente integrabili in array di grandi dimensioni (obiettivo 100x100 pixel). Nel secondo caso, l'unità CNR-NANO ha sviluppato innovativi rivelatori fototermoelettrici (PTE) basati su grafene scalabile a grande superficie, cresciuto mediante deposizione chimica da vapore (CVD). Le proprietà favorevoli del grafene, come la piccola capacità termica elettronica e la dinamica di rilassamento ultraveloce dei portatori, consentono di ottenere contemporaneamente un'elevata sensibilità (potenza equivalente al rumore 100 GHz - potenziale).
O3. Nel contesto dell'O3, le unità POLIBA e CNR-NANO hanno implementato modulatori di ampiezza sfruttando le interfacce grafene/gel elettrolitico, integrate in piccoli reflectarray. La velocità di modulazione raggiunta è finora limitata a poche decine di kHz. Tuttavia, questa attività sarà fondamentale per il pieno sfruttamento delle portanti di frequenza THz che richiedono una visibilità in linea di vista tra trasmettitori e ricevitori.
O4. L'unità del CNR ha recentemente dimostrato un collegamento di comunicazione ottica nello spazio libero (FSOC) a THz che impiega una configurazione trasportabile e priva di criogeni, che sfrutta una sorgente QCL a modulazione diretta a 2,83 THz, ospitata in un criocooler Stirling a ciclo chiuso, e un rivelatore PTE compatto a base di grafene che opera a temperatura ambiente. Il collegamento ottico nello spazio libero garantisce una comunicazione priva di errori (tasso di errore dei pacchetti <10-5) su una distanza di 128 cm a 1 Mbps (modulazione On-Off Keying). Il sistema è stato utilizzato all'esterno, per testarne le prestazioni al di fuori delle condizioni controllate di laboratorio. L'ulteriore sviluppo di questa piattaforma FSOC sarà diretto alla realizzazione di uno schema di modulazione più veloce, con velocità di ~100 MHz.
O2. Il progetto sviluppa contemporaneamente due diverse piattaforme tecnologiche per ideare fotorivelatori THz: da un lato dispositivi basati sulla tecnologia CMOS, dall'altro dispositivi realizzati in grafene. Nel primo caso, UNISAP ha implementato una piattaforma (TCAD) per la simulazione dell'effetto di rettifica (auto-miscelazione) all'interno di transistor a effetto di campo eccitati da radiazioni THz. Queste simulazioni preliminari ci hanno permesso di stabilire i parametri geometrici ottimali per la creazione di fotorivelatori scalabili a temperatura ambiente, potenzialmente integrabili in array di grandi dimensioni (obiettivo 100x100 pixel). Nel secondo caso, l'unità CNR-NANO ha sviluppato innovativi rivelatori fototermoelettrici (PTE) basati su grafene scalabile a grande superficie, cresciuto mediante deposizione chimica da vapore (CVD). Le proprietà favorevoli del grafene, come la piccola capacità termica elettronica e la dinamica di rilassamento ultraveloce dei portatori, consentono di ottenere contemporaneamente un'elevata sensibilità (potenza equivalente al rumore 100 GHz - potenziale).
O3. Nel contesto dell'O3, le unità POLIBA e CNR-NANO hanno implementato modulatori di ampiezza sfruttando le interfacce grafene/gel elettrolitico, integrate in piccoli reflectarray. La velocità di modulazione raggiunta è finora limitata a poche decine di kHz. Tuttavia, questa attività sarà fondamentale per il pieno sfruttamento delle portanti di frequenza THz che richiedono una visibilità in linea di vista tra trasmettitori e ricevitori.
O4. L'unità del CNR ha recentemente dimostrato un collegamento di comunicazione ottica nello spazio libero (FSOC) a THz che impiega una configurazione trasportabile e priva di criogeni, che sfrutta una sorgente QCL a modulazione diretta a 2,83 THz, ospitata in un criocooler Stirling a ciclo chiuso, e un rivelatore PTE compatto a base di grafene che opera a temperatura ambiente. Il collegamento ottico nello spazio libero garantisce una comunicazione priva di errori (tasso di errore dei pacchetti <10-5) su una distanza di 128 cm a 1 Mbps (modulazione On-Off Keying). Il sistema è stato utilizzato all'esterno, per testarne le prestazioni al di fuori delle condizioni controllate di laboratorio. L'ulteriore sviluppo di questa piattaforma FSOC sarà diretto alla realizzazione di uno schema di modulazione più veloce, con velocità di ~100 MHz.
- È stato simulato il primo trasduttore optomeccanico ed è stato prodotto e testato un dispositivo prototipo
- Progettati i primi transistor elettrochimici per modulatori di fase. La produzione è in corso.
- Realizzazione di un protocollo di fabbricazione completamente scalabile per eterostrutture di materiali stratificati basati su grafene e nitruro di boro esagonale cresciuti in CVD.
- Realizzazione di fotorivelatori al grafene basati su una geometria a specchio di Salisbury, funzionanti a 3 THz.
- Realizzazione di un termometro integrato a base di grafene per monitorare la temperatura dei QCL THz durante il funzionamento.
- Sviluppo di soluzioni circuitali innovative per la progettazione ottimale di un amplificatore a basso rumore (LNA) per ricevitori THz, in grado di soddisfare le specifiche di progetto richieste in termini di parametri di prestazione, come il guadagno di picco, la larghezza di banda e la figura di rumore, adatti a essere applicati nello schema di ricevitore selezionato sviluppato in T-NEXT. Le società STMicroelectronics e L-foundry sono al momento entrambe interessate a perseguire la fabbricazione del chip, compreso il rivelatore MOSFET THz ad array di antenne in cascata con l'LNA.
- Prima dimostrazione di una configurazione portatile senza criogeno per le comunicazioni ottiche nello spazio libero THz.
- Dimostrazione di laser miniaturizzati ad alta potenza.
- Dimostrazione di pettini di frequenza a banda larga miniaturizzati ad alta potenza.
Abbiamo identificato attraverso le chiamate a cascata le aziende interessate a commercializzare i componenti sviluppati (Leonardo e Quantavis, quest'ultima sta già lavorando attivamente nell'ambito delle chiamate a cascata).
Partner di programma:
Partner bandi a cascata:
- Publications
- Expected: at least 10 publications on 36 months
- Accomplished: 1 (2 submitted)
- Readiness: 10%
- Joint Publications
- Expected: 30% joint publications on 36 months
- Accomplished: 0 over 1
- Readiness: 0%
- Talks/Communication events
- Expected: 10 talks or event chairing/organizing within T-NEXT activities on 36 months
- Accomplished: 4 (among dissemination events and conference presentations)
- Readiness: >40%
- Demo/PoC
- Expected: 1 PoCs expected by the end of the project
- Accomplished: 0
- Readiness: 0% (work according to plan)
- Project Meetings
- Expected: > 18 meetings
- Accomplished: 5 meetings
- Readiness: 28%
- Patents/Innovations
- Expected: 1 items over 36 months
- Accomplished: 0
- Readiness: 0%
MS0.1 Internal communication tools (M03)
MS0.2 Definition of the scientific content of the cascade calls (M03)
• Expected: 2
• Accomplished: 2
• Readiness: 100%
MS0.2 Definition of the scientific content of the cascade calls (M03)
• Expected: 2
• Accomplished: 2
• Readiness: 100%
Ricercatori coinvolti: 70
Proposte di collaborazione:
Il progetto T-NEXT è aperto a collaborazioni sui seguenti temi:
- Fotorivelatori THz
- Schemi di modulazione nell’infrarosso lontano
- Sviluppo di protocolli di comunicazione basati su blocchi costruttivi THz.
È possibile avanzare proposte di collaborazione sul progetto contattando la PI del progetto.
T-NEXT news: