De aanhoudende groei van draadloos en mobiel dataverkeer is sterk afhankelijk van lichtgolven. Microgolffotonica is het gebied van technologie dat zich toelegt op de distributie en verwerking van elektrische informatiesignalen met behulp van optische middelen. Vergeleken met traditionele oplossingen die alleen op elektronica zijn gebaseerd, microgolffotonische systemen kunnen enorme hoeveelheden gegevens aan. Daarom, microgolffotonica is steeds belangrijker geworden als onderdeel van 5G-cellulaire netwerken en daarbuiten. Een primaire taak van microgolffotonica is het realiseren van smalbandfilters:het selecteren van specifieke data, op bepaalde frequenties, uit immense volumes die over licht worden gedragen.

Veel microgolffotonische systemen zijn opgebouwd uit discrete, afzonderlijke componenten en lange glasvezelpaden. Echter, de kosten, maat, stroomverbruik en productievolume-eisen van geavanceerde netwerken vragen om een ​​nieuwe generatie microgolffotonische systemen die op een chip worden gerealiseerd. Geïntegreerde microgolf fotonische filters, vooral in silicium, zijn zeer gewild. Er is, echter, een fundamentele uitdaging:smalbandfilters vereisen dat signalen relatief lang worden vertraagd als onderdeel van hun verwerking.

"Omdat de lichtsnelheid zo snel is, " zegt prof. Avi Zadok van de Bar-Ilan University, Israël, "we hebben geen chipruimte meer voordat de nodige vertragingen zijn opgevangen. De vereiste vertragingen kunnen oplopen tot meer dan 100 nanoseconden. Dergelijke vertragingen kunnen kort lijken gezien de dagelijkse ervaring, maar, de optische paden die ze ondersteunen zijn meer dan tien meter lang. We kunnen onmogelijk zulke lange paden als onderdeel van een siliciumchip passen. Zelfs als we op de een of andere manier zoveel meters zouden kunnen omvouwen in een bepaalde lay-out, de omvang van optische vermogensverliezen die daarbij horen, zou onbetaalbaar zijn."

Deze lange vertragingen vereisen een ander type golf, een die veel langzamer reist. In een recent gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift optiek , Zadok en zijn team van de Faculteit Ingenieurswetenschappen en het Instituut voor Nanotechnologie en Geavanceerde Materialen aan de Bar-Ilan Universiteit, en medewerkers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en Tower Semiconductors, een oplossing voorstellen. Ze brachten licht en ultrasone golven samen om ultrasmalle filters van microgolfsignalen te realiseren, in silicium geïntegreerde schakelingen. Het concept biedt grote vrijheid bij het ontwerpen van filters.

Bar-Ilan University promovendus Moshe Katzman legt uit, "We hebben geleerd hoe we de informatie van belang kunnen omzetten van de vorm van lichtgolven naar ultrasoon, akoestische oppervlaktegolven, en dan terug naar de optiek. De akoestische oppervlaktegolven reizen met een snelheid van 100, 000 langzamer. We kunnen de vertragingen opvangen die we nodig hebben als onderdeel van onze siliciumchip, binnen minder dan een millimeter, en met verliezen die zeer redelijk zijn."

Akoestische golven dienen al zestig jaar voor de verwerking van informatie; echter, hun integratie op chipniveau naast lichtgolven is lastig gebleken. Moshe Katzman vervolgt, "In het afgelopen decennium hebben we baanbrekende demonstraties gezien van hoe licht en ultrasone golven kunnen worden samengebracht op een chipapparaat, om uitstekende microgolffotonische filters te maken. Echter, de gebruikte platforms waren meer gespecialiseerd. Een deel van de aantrekkingskracht van de oplossing zit in zijn eenvoud. De fabricage van apparaten is gebaseerd op routineprotocollen van siliciumgolfgeleiders. We doen hier niets bijzonders." De gerealiseerde filters zijn erg smalbandig:de spectrale breedte van de doorlaatbanden van de filters is slechts 5 MHz.

Om smalbandfilters te realiseren, de informatiedragende akoestische oppervlaktegolven worden meerdere keren op de uitgangslichtgolf gedrukt. Promovendus Maayan Priel licht toe, "Het akoestische signaal kruist het lichtpad tot 12 keer, afhankelijk van de keuze van de lay-out. Elke dergelijke gebeurtenis drukt een replica van ons van belang zijnde signaal af op de optische golf. Door de lage akoestische snelheid, deze evenementen worden gescheiden door lange vertragingen. Hun algemene optelling is wat de filters laat werken." Als onderdeel van hun onderzoek, het team rapporteert volledige controle over elke replica, naar de realisatie van willekeurige filterreacties. Maayan Priel besluit, "De vrijheid om de respons van de filters te ontwerpen, is om het meeste uit de geïntegreerde, microgolf-fotonisch platform."