Thiết bị “Phản xạ” có kích thước bằng thẻ tín dụng tập trung năng lượng Terahertz để tạo ra hình ảnh có độ phân giải cao

Sự tiến bộ có thể cho phép các thiết bị hình ảnh thời gian thực nhỏ hơn, rẻ hơn và mạnh mẽ hơn các hệ thống khác.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra một thiết bị cho phép họ định hướng điện tử và tập trung một chùm năng lượng điện từ terahertz với độ chính xác cực cao. Điều này mở ra cánh cửa cho các thiết bị hình ảnh thời gian thực, có độ phân giải cao, có kích thước bằng một phần trăm các hệ thống radar khác và mạnh mẽ hơn các hệ thống quang học khác.

Sóng Terahertz, nằm trên quang phổ điện từ giữa vi sóng và ánh sáng hồng ngoại, tồn tại ở một “vùng đất không của con người”, nơi cả thiết bị điện tử và thiết bị quang học cổ điển đều không thể sử dụng năng lượng của chúng một cách hiệu quả. Nhưng những sóng vô tuyến tần số cao này có nhiều đặc tính độc đáo, như khả năng truyền qua một số vật liệu rắn nhất định mà không ảnh hưởng đến sức khỏe của tia X. Chúng cũng có thể cho phép liên lạc tốc độ cao hơn hoặc hệ thống thị lực có thể nhìn xuyên qua môi trường sương mù hoặc bụi bẩn.

Nhóm Điện tử Tích hợp Terahertz tại MIT , do Phó Giáo sư Ruonan Han đứng đầu, đang tìm cách thu hẹp cái gọi là khoảng cách terahertz này. Các nhà nghiên cứu này hiện đã chứng minh được mảng ăng ten terahertz chính xác nhất, có thể bảo quản bằng điện tử, chứa số lượng ăng ten lớn nhất. Dải ăng-ten, được gọi là “tấm phản xạ”, hoạt động giống như một tấm gương có thể điều khiển được với hướng phản xạ của nó được hướng dẫn bởi một máy tính.

Dải phản xạ, chứa gần 10.000 ăng-ten trên một thiết bị có kích thước bằng thẻ tín dụng, có thể tập trung chính xác chùm năng lượng terahertz vào một khu vực nhỏ và điều khiển nó nhanh chóng mà không cần bộ phận chuyển động. Được chế tạo bằng chip bán dẫn và kỹ thuật chế tạo sáng tạo, tấm phản xạ cũng có thể mở rộng.

Các nhà nghiên cứu đã chứng minh thiết bị này bằng cách tạo ra các hình ảnh độ sâu 3D của các cảnh. Những hình ảnh tương tự như những hình ảnh được tạo ra bởi thiết bị LiDAR (phát hiện và phạm vi ánh sáng), nhưng vì tấm phản xạ sử dụng sóng terahertz thay vì ánh sáng, nó có thể hoạt động hiệu quả trong mưa, sương mù hoặc tuyết. Tấm phản xạ nhỏ này cũng có thể tạo ra hình ảnh radar có độ phân giải góc gấp đôi so với độ phân giải góc do radar ở Cape Cod tạo ra, một tòa nhà lớn đến mức có thể nhìn thấy từ không gian. Mặc dù radar Cape Code có thể bao phủ một khu vực lớn hơn nhiều, nhưng tia phản xạ mới là loại đầu tiên mang lại độ phân giải cấp quân sự cho một thiết bị dành cho các máy thông minh thương mại.

Nathan Monroe ’13, MNG ’17, cho biết: “Các mảng ăng-ten rất thú vị bởi vì, chỉ bằng cách thay đổi độ trễ thời gian được cung cấp cho mỗi ăng-ten, bạn có thể thay đổi hướng năng lượng đang được tập trung và nó hoàn toàn là điện tử. tác giả của bài báo vừa hoàn thành bằng Tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Điện và Khoa học Máy tính của MIT (EECS). “Vì vậy, nó là một sự thay thế cho những đĩa radar lớn mà bạn thấy ở sân bay di chuyển bằng động cơ. Chúng tôi có thể làm điều tương tự, nhưng chúng tôi không cần bất kỳ bộ phận chuyển động nào vì chúng tôi chỉ đang thay đổi một số bit trong máy tính ”.

Đồng tác giả bao gồm Xibi Chen, sinh viên tốt nghiệp EECS; Georgios Dogiamis, Robert Stingel, và Preston Myers của Tập đoàn Intel; và Han, tác giả cao cấp của bài báo. Nghiên cứu đang được trình bày tại Hội nghị quốc tế về vi mạch thể rắn.

Kỹ thuật sản xuất sáng chế

Với các mảng ăng-ten điển hình, mỗi ăng-ten tạo ra công suất sóng vô tuyến riêng bên trong, điều này không chỉ lãng phí nhiều năng lượng mà còn tạo ra sự phức tạp và thách thức phân phối tín hiệu mà trước đây đã ngăn cản các mảng này mở rộng quy mô đến số lượng ăng-ten cần thiết. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu đã chế tạo một tấm phản xạ sử dụng một nguồn năng lượng chính để bắn ra các sóng terahertz tại các ăng-ten, sau đó phản xạ năng lượng theo hướng mà các nhà nghiên cứu kiểm soát (tương tự như một đĩa vệ tinh trên mái nhà). Sau khi nhận được năng lượng, mỗi ăng ten thực hiện một khoảng thời gian trễ trước khi phản xạ lại, ăng ten này sẽ tập trung chùm tia theo một hướng xác định.

Monroe nói rằng các bộ chuyển pha kiểm soát độ trễ thời gian đó thường tiêu thụ rất nhiều năng lượng của sóng vô tuyến, đôi khi lên tới 90%. Họ đã thiết kế một bộ chuyển pha mới chỉ được làm từ hai bóng bán dẫn, vì vậy nó tiêu thụ điện năng chỉ bằng một nửa. Ngoài ra, các bộ chuyển pha điển hình yêu cầu nguồn điện bên ngoài như nguồn điện hoặc pin để hoạt động, điều này gây ra các vấn đề về tiêu thụ điện năng và sưởi ấm. Thiết kế bộ dịch chuyển pha mới hoàn toàn không tiêu thụ điện năng.

Điều khiển chùm năng lượng là một vấn đề khác – việc tính toán và giao tiếp đủ bit để điều khiển 10.000 ăng-ten cùng một lúc sẽ làm chậm đáng kể hiệu suất của tấm phản xạ. Các nhà nghiên cứu đã tránh được vấn đề này bằng cách tích hợp dải ăng-ten trực tiếp lên chip máy tính. Bởi vì các bộ chuyển pha rất nhỏ, chỉ cần hai bóng bán dẫn, chúng có thể dành khoảng 99% không gian trên chip. Chúng sử dụng không gian bổ sung này cho bộ nhớ, vì vậy mỗi ăng-ten có thể lưu trữ một thư viện các pha khác nhau.

“Thay vì nói với dải ăng-ten này trong thời gian thực cái nào trong số 10.000 ăng-ten cần hướng chùm tia theo một hướng nhất định, bạn chỉ cần nói với nó một lần và sau đó nó sẽ ghi nhớ. Sau đó, bạn chỉ cần quay số đó lên và về cơ bản nó sẽ kéo trang ra khỏi thư viện của nó. Sau đó, chúng tôi phát hiện ra rằng điều này cho phép chúng tôi nghĩ về việc sử dụng bộ nhớ này để triển khai các thuật toán, điều này có thể nâng cao hơn nữa hiệu suất của dải ăng-ten, ”Monroe nói.

Để đạt được hiệu suất mong muốn, các nhà nghiên cứu cần khoảng 10.000 ăng-ten (nhiều ăng-ten hơn cho phép họ điều khiển năng lượng chính xác hơn), nhưng việc xây dựng một chip máy tính đủ lớn để chứa tất cả các ăng-ten đó là một thách thức lớn. Vì vậy, họ đã thực hiện một cách tiếp cận có thể mở rộng, xây dựng một con chip nhỏ, duy nhất với 49 ăng-ten được thiết kế để nói chuyện với các bản sao của chính nó. Sau đó, họ lát các con chip thành một mảng 14 x 14 và khâu chúng lại với nhau bằng những sợi dây vàng siêu nhỏ có thể giao tiếp tín hiệu và cung cấp năng lượng cho mảng chip, Monroe giải thích.

Nhóm đã làm việc với Intel để sản xuất chip và hỗ trợ lắp ráp mảng.

“Khả năng lắp ráp tiên tiến có độ tin cậy cao của Intel kết hợp với các bóng bán dẫn tần số cao, hiện đại của quy trình silicon Intel 16 đã cho phép nhóm của chúng tôi đổi mới và cung cấp một nền tảng hình ảnh nhỏ gọn, hiệu quả và có thể mở rộng ở tần số nhỏ hơn terahertz. Dogiamis nói: “

Han nói: “Trước khi có nghiên cứu này, người ta chưa thực sự kết hợp công nghệ terahertz và công nghệ chip bán dẫn để nhận ra sự hình thành chùm tia siêu sắc nét và được điều khiển bằng điện tử này. “Chúng tôi đã nhìn thấy cơ hội này và cũng với một số kỹ thuật mạch độc đáo, đã đưa ra một số mạch rất nhỏ gọn nhưng cũng hiệu quả trên chip để chúng tôi có thể kiểm soát hiệu quả hành vi của sóng tại những vị trí này. Bằng cách tận dụng công nghệ mạch tích hợp, giờ đây chúng ta có thể kích hoạt một số hành vi kỹ thuật số và bộ nhớ trong phần tử, đây chắc chắn là thứ không tồn tại trong quá khứ. Chúng tôi thực sự cảm thấy rằng sử dụng chất bán dẫn, bạn thực sự có thể tạo ra một thứ gì đó tuyệt vời. ”

Một loạt các ứng dụng

Họ đã chứng minh tia phản xạ bằng cách thực hiện các phép đo được gọi là các mẫu bức xạ, mô tả hướng góc mà ăng ten đang bức xạ năng lượng của nó. Họ có thể tập trung năng lượng rất chính xác, vì vậy chùm sáng chỉ rộng một độ và có thể hướng chùm tia đó theo từng bước một độ.

Khi được sử dụng làm hình ảnh, chùm tia rộng một độ di chuyển theo hình zic zắc qua mỗi điểm trong cảnh và tạo ra hình ảnh có chiều sâu 3D. Không giống như các mảng terahertz khác, có thể mất hàng giờ hoặc thậm chí hàng ngày để tạo hình ảnh, mảng của chúng hoạt động trong thời gian thực.

Vì tấm phản xạ này hoạt động nhanh chóng và nhỏ gọn, nó có thể hữu ích như một hình ảnh chụp xe tự lái, đặc biệt là vì sóng terahertz có thể nhìn xuyên qua thời tiết xấu, Monroe nói. Thiết bị này cũng có thể rất phù hợp với máy bay không người lái tự động vì nó nhẹ và không có bộ phận chuyển động. Ngoài ra, công nghệ này có thể được áp dụng trong cài đặt bảo mật, cho phép một máy quét cơ thể không xâm nhập có thể hoạt động trong vài giây thay vì vài phút, ông nói.

Monroe hiện đang làm việc với MIT Technology Licensing Market để đưa công nghệ ra thị trường thông qua một công ty khởi nghiệp.

Trong phòng thí nghiệm, Han và các cộng sự của ông hy vọng sẽ tiếp tục thúc đẩy công nghệ này phát triển bằng cách sử dụng những tiến bộ mới trong lĩnh vực bán dẫn để hạ giá thành và cải thiện hiệu suất của cụm chip.

Nghiên cứu được tài trợ bởi Tập đoàn Intel và Trung tâm Hệ thống và Mạch tích hợp MIT.

Theo Scitechdaily