Siliciumchips kombinerer lys og ultralyd for bedre signalbehandling

Den fortsatte vækst af trådløs og mobil datatrafik er stærkt afhængig af lysbølger. Mikrobølge fotonik er det teknologiske område, der er dedikeret til distribution og behandling af elektriske informationssignaler ved hjælp af optiske midler. Sammenlignet med traditionelle løsninger baseret på elektronik alene, mikrobølge fotoniske systemer kan håndtere enorme mængder data. Derfor, mikrobølge fotonik er blevet stadig vigtigere som en del af 5G mobilnetværk og videre. En primær opgave for mikrobølge fotonik er realiseringen af ​​smalbåndsfiltre:Valg af specifikke data, ved bestemte frekvenser, ud af enorme mængder, der føres over lys.

Mange mikrobølge fotoniske systemer er bygget af diskrete, separate komponenter og lange optiske fiberstier. Imidlertid, prisen, størrelse, krav til strømforbrug og produktionsmængde for avancerede netværk kræver en ny generation af mikrobølge fotoniske systemer, der realiseres på en chip. Integrerede mikrobølge fotoniske filtre, især i silicium, er meget eftertragtede. Der er, imidlertid, en grundlæggende udfordring:Smallebåndsfiltre kræver, at signaler forsinkes i forholdsvis lang varighed som en del af behandlingen.

"Da lysets hastighed er så hurtig, "siger prof. Avi Zadok fra Bar-Ilan University, Israel, "vi løber tør for chipplads, før de nødvendige forsinkelser imødekommes. De påkrævede forsinkelser kan nå op på over 100 nanosekunder. Sådanne forsinkelser kan synes at være korte i betragtning af daglig erfaring; dog kan de optiske stier, der understøtter dem, er over ti meter lange. Vi kan umuligt passe så lange stier som en del af en siliciumchip. Selvom vi på en eller anden måde kunne folde de mange meter over i et bestemt layout, omfanget af optiske effekttab til at følge med det ville være uoverkommeligt. "

Disse lange forsinkelser kræver en anden type bølge, en der bevæger sig meget langsommere. I en undersøgelse, der for nylig blev offentliggjort i tidsskriftet Optica , Zadok og hans team fra Det Tekniske Fakultet og Institut for Nanoteknologi og Avancerede Materialer ved Bar-Ilan Universitet, og samarbejdspartnere fra det hebraiske universitet i Jerusalem og Tower Semiconductors, foreslå en løsning. De samlede lys og ultralydsbølger for at realisere ultratynde filtre af mikrobølgesignaler, i silicium integrerede kredsløb. Konceptet giver stor frihed til filtre design.

Bar-Ilan Universitets doktorand Moshe Katzman forklarer, "Vi har lært, hvordan vi konverterer information af interesse fra form af lysbølger til ultralyd, akustiske overfladebølger, og derefter tilbage til optik. Overfladen akustiske bølger bevæger sig med en hastighed på 100, 000 langsommere. Vi kan imødekomme de forsinkelser, vi har brug for som en del af vores siliciumchip, inden for mindre end en millimeter, og med tab, der er meget rimelige. "

Akustiske bølger har tjent til behandling af oplysninger i tres år; imidlertid, deres chip-niveau integration sammen med lysbølger har vist sig vanskelig. Moshe Katzman fortsætter, "I løbet af det sidste årti har vi set skelsættende demonstrationer af, hvordan lys- og ultralydbølger kan bringes sammen på en chip -enhed, til at udgøre fremragende mikrobølge fotoniske filtre. Imidlertid, de anvendte platforme var mere specialiserede. En del af løsningens appel er i dens enkelhed. Fremstilling af enheder er baseret på rutineprotokoller af siliciumbølgeledere. Vi gør ikke noget fancy her. "De realiserede filtre er meget smalbåndet:Spektralbredden af ​​filtrene passbånd er kun 5 MHz.

For at realisere smalbåndsfiltre, den informationsbærende overflade akustiske bølger er præget på output-lysbølgen flere gange. Doktorand Maayan Priel uddyber, "Det akustiske signal krydser lysvejen op til 12 gange, afhængig af valg af layout. Hver sådan begivenhed præger en kopi af vores signal om interesse på den optiske bølge. På grund af den langsomme akustiske hastighed, disse begivenheder adskilles af lange forsinkelser. Deres samlede summering er det, der får filtrene til at fungere. "Som en del af deres forskning, teamet rapporterer fuldstændig kontrol over hver replika, i retning af realisering af vilkårlige filterresponser. Maayan Priel slutter, "Friheden til at designe filtrernes respons får mest muligt ud af den integrerede, mikrobølge-fotonisk platform. "