De mogelijkheden van elektronische schakelingen zijn uitgebreid met de introductie van fotonica:componenten voor de opwekking, geleiden en detecteren van licht. Samen, elektronica en fotonica ondersteunen complete systemen voor datacommunicatie en -verwerking, allemaal op een chip. Echter, er zijn bepaalde dingen die zelfs elektrische en optische signalen niet kunnen doen, simpelweg omdat ze te snel bewegen.

Soms, langzaam bewegen is eigenlijk beter, volgens Prof. Avi Zadok van de Faculteit Ingenieurswetenschappen en het Instituut voor Nanotechnologie en Geavanceerde Materialen van de Bar-Ilan Universiteit. "Belangrijke signaalverwerkingstaken, zoals de nauwkeurige selectie van frequentiekanalen, vereisen dat gegevens worden vertraagd over tijdschalen van tientallen nanoseconden. Gezien de hoge lichtsnelheid, optische golven planten zich binnen deze tijdsperioden over vele meters voort. Dergelijke weglengtes zijn niet in een siliciumchip te accommoderen. Het is onrealistisch. In deze wedstrijd, snel wint niet per se."

Het probleem, in feite, is een vrij oude. Analoge elektronische schakelingen worden al 60 jaar geconfronteerd met soortgelijke uitdagingen in signaalverwerking. Een uitstekende oplossing werd gevonden in de vorm van akoestiek:een interessant signaal wordt omgezet van het elektrische domein naar de vorm van een akoestische golf. De snelheid van het geluid is natuurlijk, langzamer dan licht met een factor 100, 000. Akoestische golven krijgen de nodige vertragingen over tientallen micrometers in plaats van meters. Dergelijke padlengtes kunnen gemakkelijk op de chip worden opgenomen. Na vermeerdering, het vertraagde signaal kan weer worden omgezet in elektronica.

In een nieuw werk dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Natuurcommunicatie , Zadok en medewerkers dragen dit principe over naar silicium-fotonische circuits.

"Er zijn verschillende problemen met het introduceren van akoestische golven in siliciumchips, " zegt promovendus Dvir Munk, van de Bar-Ilan Universiteit, die deelnamen aan het onderzoek. "De standaard laagstructuur die wordt gebruikt voor siliciumfotonica wordt silicium op isolator genoemd. Hoewel deze structuur licht zeer effectief geleidt, het kan geluidsgolven niet beperken en leiden. In plaats daarvan, akoestische golven lekken gewoon weg." Vanwege deze moeilijkheid, eerdere werken die licht- en geluidsgolven in silicium combineren, hebben geen betrekking op de standaard laagstructuur. Alternatief, hybride integratie van extra, niet-standaard materialen nodig waren.

"Die eerste uitdaging kan worden overwonnen door akoestische golven te gebruiken die zich voortplanten aan de bovenkant van de siliciumchip, " vervolgt Munk. "Deze akoestische oppervlaktegolven lekken niet zo snel naar beneden. Hier, echter, er is nog een ander probleem:het genereren van akoestische golven is meestal afhankelijk van piëzo-elektrische kristallen. Deze kristallen zetten uit als er spanning op staat. Helaas, dit fysieke effect bestaat niet in silicium, en we vermijden veel liever dat we extra materialen aan het apparaat toevoegen."

Als een alternatief, studenten Munk, Moshe Katzman en collega's vertrouwden op de verlichting van metalen. "Inkomend licht draagt ​​het signaal van interesse, " legt Katzman uit. "Het bestraalt een metalen patroon op de chip. De metalen zetten uit en krimpen, en span het siliciumoppervlak eronder. Met het juiste ontwerp, die initiële spanning kan akoestische oppervlaktegolven veroorzaken. Beurtelings, de akoestische golven gaan over standaard optische golfgeleiders in dezelfde chip. Licht in die golfgeleiders wordt beïnvloed door de oppervlaktegolven. Op deze manier, het signaal van interesse wordt via akoestiek omgezet van de ene optische golf naar de andere. Ondertussen, aanzienlijke vertraging wordt geaccumuleerd binnen zeer korte afstand."

Het concept combineert licht en geluid in standaard silicium zonder ophanging van membranen of gebruik van piëzo-elektrische kristallen. Akoestische frequenties tot 8 GHz worden bereikt, het concept is echter schaalbaar tot 100 GHz. Het werkingsprincipe is toepasbaar op elke ondergrond, niet alleen silicium. Er worden ook toepassingen gepresenteerd:het concept wordt gebruikt in smalbandfilters van ingangsradiofrequentiesignalen. De zeer selectieve filters maken gebruik van vertragingen van 40 nanoseconden. "Gebruik in plaats van vijf meter golfgeleider, we bereiken deze vertraging binnen 150 micron, ' zegt Munk.

Prof. Zadok vat samen:"Akoestiek is een ontbrekende dimensie in siliciumchips omdat akoestiek specifieke taken kan uitvoeren die moeilijk te doen zijn met elektronica en optica alleen. Voor het eerst hebben we deze dimensie toegevoegd aan het standaard siliciumfotonicaplatform. Het concept combineert de communicatie en bandbreedte die licht biedt met de selectieve verwerking van geluidsgolven."

Een mogelijke toepassing van dergelijke apparaten is in toekomstige mobiele netwerken, algemeen bekend als 5G. Digitale elektronica alleen is misschien niet voldoende om de signaalverwerkingsvereisten in dergelijke netwerken te ondersteunen. Licht- en geluidsapparaten kunnen het lukken.