Piëzo-elektrische materialen kunnen elektrische spanning omzetten in mechanische verplaatsing en vice versa. Ze zijn alomtegenwoordig in moderne draadloze communicatienetwerken zoals in mobiele telefoons. Vandaag, piëzo-elektrische apparaten, inclusief filters, omvormers en oscillatoren, worden gebruikt in miljarden apparaten voor draadloze communicatie, wereldwijde positionering, navigatie, en ruimtetoepassingen.

In een artikel gepubliceerd in Natuur , een samenwerking onder leiding van professor Tobias J. Kippenberg van EPFL en professor Sunil A. Bhave van Purdue University heeft piëzo-elektrische aluminiumnitride (AlN)-technologie, die wordt gebruikt in de radiofrequentiefilters van moderne mobiele telefoons, gecombineerd met siliciumnitride met ultralaag verlies (Si ₃ N ₄ ) geïntegreerde fotonica, demonstreren van een nieuw schema voor akoestisch-optische modulatie op de chip.

Het hybride circuit maakt breedbandbediening mogelijk op fotonische golfgeleiders met ultralaag elektrisch vermogen - een prestatie die tot nu toe een uitdaging was. Het circuit zelf is vervaardigd met behulp van CMOS-compatibele gietprocessen, die op grote schaal worden gebruikt om microprocessors te bouwen, microcontrollers, geheugenchips, en andere digitale logische circuits.

Licht en geluid

Om de schakeling te bouwen, de wetenschappers gebruikten Si ₃ N ₄ , dat naar voren is gekomen als een toonaangevend materiaal voor chipschaal, op microresonatoren gebaseerde optische frequentiekammen ("microcombs"). Microkammen worden gebruikt in een reeks precisie-eisende toepassingen, inclusief coherente communicatie, astronomische spectrometerkalibratie, ultrasnel bereik, geluidsarme microgolfsynthese, optische atoomklokken, en meest recentelijk, parallelle coherente LiDAR.

De onderzoekers fabriceerden piëzo-elektrische AlN-actuatoren bovenop de ultralow-loss Si ₃ N ₄ fotonische circuits, en zette er een spanningssignaal op. Het signaal veroorzaakte elektromechanische bulk akoestische golven, die de gegenereerde microkam in de Si . kan moduleren ₃ N ₄ circuits. Kortom, geluid schudt licht.

Een belangrijk kenmerk van dit schema is dat het het ultralage verlies van Si . handhaaft ₃ N ₄ circuits. "Deze prestatie vertegenwoordigt een nieuwe mijlpaal voor de microkamtechnologie, overbrugging van geïntegreerde fotonica, micro-elektromechanische systeemtechniek en niet-lineaire optica, " zegt Junqiu Liu, wie leidt de fabricage van Si ₃ N ₄ fotonica-chips bij EPFL's Center of MicroNanoTechnology (CMi). "Door gebruik te maken van piëzo-elektrische en bulk akoesto-optische interacties, het maakt optische modulatie op de chip mogelijk met ongekende snelheid en ultralaag stroomverbruik."

Twee nieuwe toepassingen

Door gebruik te maken van het nieuwe hybride systeem, de onderzoekers demonstreerden twee onafhankelijke toepassingen:de optimalisatie van een op microkammen gebaseerde massaal parallelle coherente LiDAR, op basis van hun eerdere werk dat ook is gepubliceerd in Natuur onlangs. Deze benadering zou een route kunnen bieden naar op chips gebaseerde LiDAR-motoren die worden aangedreven door CMOS-micro-elektronische circuits.

Tweede, ze bouwden magneetvrije optische isolatoren door spatio-temporele modulatie van een Si ₃ N ₄ microresonator, die onlangs werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie . "De strakke verticale opsluiting van de bulk akoestische golven voorkomt overspraak en zorgt voor een nauwe plaatsing van de actuatoren, wat een uitdaging is om te bereiken in p-i-n siliciummodulatoren, " zegt Hao Tian, die de piëzo-elektrische actuatoren fabriceerde in de Scifres cleanroom in Purdue's Birck Nanotechnology Center.

De nieuwe technologie zou een impuls kunnen geven aan microkamtoepassingen in energiekritische systemen, bijv. in de ruimte, datacenters en draagbare atoomklokken, of in extreme omgevingen zoals cryogene temperaturen. "Tot nu toe zullen onvoorziene toepassingen volgen in meerdere gemeenschappen, ", zegt professor Kippenberg. "Het is keer op keer aangetoond dat hybride systemen voordelen en functionaliteit kunnen verkrijgen die verder gaan dan de afzonderlijke componenten."

"Ik las onlangs een Wetenschappelijke Amerikaan artikel dat me erg aansprak, " voegt professor Bhave toe. "Het heet, "Waarom wetenschap beter is als het een multinational is." Onze resultaten zouden niet mogelijk zijn zonder deze multidisciplinaire en intercontinentale samenwerking."