Ny forskning kombinerer lyd- og lysbølger i siliciumchips for at skabe en ny type signalbehandling

Elektroniske kredsløbs muligheder er blevet udvidet med introduktionen af ​​fotonik:komponenter til generering, styring og detektering af lys. Sammen, elektronik og fotonik understøtter hele systemer til datakommunikation og -behandling, alt på en chip. Imidlertid, der er visse ting, som selv elektriske og optiske signaler ikke kan gøre, blot fordi de bevæger sig for hurtigt.

Sommetider, at bevæge sig langsomt er faktisk bedre, ifølge prof. Avi Zadok fra Bar-Ilan Universitetets fakultet for ingeniørvidenskab og Institut for Nanoteknologi og Avancerede Materialer. "Vigtige signalbehandlingsopgaver, såsom det præcise valg af frekvenskanaler, kræver, at data forsinkes over tidsskalaer på titusinder af nanosekunder. På grund af lysets høje hastighed, optiske bølger forplanter sig over mange meter inden for disse tidsrammer. Man kan ikke rumme sådanne vejlængder i en siliciumchip. Det er urealistisk. I dette løb, hurtig vinder ikke nødvendigvis."

Problemet, faktisk, er ret gammel. Analoge elektroniske kredsløb har stået over for lignende udfordringer inden for signalbehandling i 60 år. En fremragende løsning blev fundet i form af akustik:Et signal af interesse konverteres fra det elektriske domæne til form af en akustisk bølge. Lydens hastighed er, selvfølgelig, langsommere end lyset med en faktor 100, 000. Akustiske bølger får de nødvendige forsinkelser over titusvis af mikrometer i stedet for meter. Sådanne banelængder kan nemt optages på chip. Efter udbredelsen, det forsinkede signal kan konverteres tilbage til elektronik.

I et nyt værk offentliggjort i dag i tidsskriftet Naturkommunikation , Zadok og kolleger overfører dette princip til silicium-fotoniske kredsløb.

"Der er flere vanskeligheder med at introducere akustiske bølger til siliciumchips, siger doktorand Dvir Munk, fra Bar-Ilan University, der deltog i undersøgelsen. "Standardlagstrukturen, der bruges til siliciumfotonik, kaldes silicium på isolator. Selvom denne struktur styrer lys meget effektivt, den kan ikke begrænse og lede lydbølger. I stedet, akustiske bølger siver bare væk." På grund af denne vanskelighed, tidligere værker, der kombinerer lys- og lydbølger i silicium, involverer ikke standardlagstrukturen. Alternativt hybrid integration af yderligere, ikke-standardmaterialer var nødvendige.

"Den første udfordring kan overvindes ved at bruge akustiske bølger, der forplanter sig på den øvre overflade af siliciumchippen, " fortsætter Munk. "Disse akustiske overfladebølger siver ikke ned så hurtigt. Her, imidlertid, der er et andet problem:Generering af akustiske bølger er normalt afhængig af piezo-elektriske krystaller. Disse krystaller udvider sig, når en spænding påføres dem. Desværre, denne fysiske effekt findes ikke i silicium, og vi foretrækker meget at undgå at introducere yderligere materialer til enheden."

Som et alternativ, studerende Munk, Moshe Katzman og kolleger stolede på belysning af metaller. "Indkommende lys bærer signalet af interesse, " forklarer Katzman. "Det bestråler et metalmønster på chippen. Metallerne udvider sig og trækker sig sammen, og sil siliciumoverfladen nedenunder. Med korrekt design, at indledende belastning kan drive overfladeakustiske bølger. På tur, de akustiske bølger passerer på tværs af standard optiske bølgeledere i samme chip. Lys i disse bølgeledere påvirkes af overfladebølgerne. På denne måde signalet af interesse konverteres fra en optisk bølge til en anden via akustik. I mellemtiden, betydelig forsinkelse er akkumuleret inden for meget kort rækkevidde."

Konceptet kombinerer lys og lyd i standard silicium uden ophæng af membraner eller brug af piezo-elektriske krystaller. Akustiske frekvenser op til 8 GHz nås, konceptet er dog skalerbart til 100 GHz. Arbejdsprincippet gælder for ethvert underlag, ikke kun silicium. Anvendelser præsenteres også:konceptet bruges i smalbåndsfiltre af indgående radiofrekvente signaler. De meget selektive filtre gør brug af 40 nanosekunders lange forsinkelser. "I stedet for at bruge fem meter bølgeleder, vi opnår denne forsinkelse inden for 150 mikron, siger Munk.

Prof. Zadok opsummerer:"Akustik er en manglende dimension i siliciumchips, fordi akustik kan udføre specifikke opgaver, som er svære at udføre med elektronik og optik alene. For første gang har vi tilføjet denne dimension til standard siliciumfotonikplatformen. Konceptet kombinerer kommunikationen og båndbredden, som lys tilbyder med den selektive behandling af lydbølger."

En potentiel anvendelse af sådanne enheder er i fremtidige mobilnetværk, almindeligt kendt som 5G. Digital elektronik alene er muligvis ikke nok til at understøtte signalbehandlingskravene i sådanne netværk. Lys- og lydenheder kan måske gøre det.