Förmågan hos elektroniska kretsar har utökats med introduktionen av fotonik:komponenter för generering, styrning och detektering av ljus. Tillsammans, elektronik och fotonik stödjer hela system för datakommunikation och bearbetning, allt på ett chip. Dock, det finns vissa saker som inte ens elektriska och optiska signaler kan göra bara för att de rör sig för snabbt.

Ibland, att röra sig långsamt är faktiskt bättre, enligt Prof. Avi Zadok vid Bar-Ilan Universitys fakultet för teknik och Institutet för nanoteknologi och avancerade material. "Viktiga signalbehandlingsuppgifter, som det exakta valet av frekvenskanaler, kräver att data fördröjs över tidsskalor på tiotals nanosekunder. Med tanke på ljusets höga hastighet, optiska vågor utbreder sig över många meter inom dessa tidsramar. Sådana väglängder kan man inte ta emot i ett kiselchip. Det är orealistiskt. I detta lopp, snabb vinner inte nödvändigtvis."

Problemet, faktiskt, är en ganska gammal sådan. Analoga elektroniska kretsar har ställts inför liknande utmaningar inom signalbehandling i 60 år. En utmärkt lösning hittades i form av akustik:En signal av intresse omvandlas från den elektriska domänen till formen av en akustisk våg. Ljudets hastighet är, självklart, långsammare än ljuset med en faktor 100, 000. Akustiska vågor får de nödvändiga fördröjningarna över tiotals mikrometer istället för meter. Sådana väglängder kan lätt rymmas på chipet. Efter förökning, den fördröjda signalen kan konverteras tillbaka till elektronik.

I ett nytt arbete publicerat i dag i tidskriften Naturkommunikation , Zadok och hans medarbetare överför denna princip till kisel-fotoniska kretsar.

"Det finns flera svårigheter med att introducera akustiska vågor till kiselchips, säger doktoranden Dvir Munk, vid Bar-Ilan University, som deltog i studien. "Standardskiktsstrukturen som används för kiselfotonik kallas silicon on isolator. Även om denna struktur styr ljuset mycket effektivt, den kan inte begränsa och styra ljudvågor. Istället, akustiska vågor läcker bara bort." På grund av denna svårighet, Tidigare verk som kombinerar ljus- och ljudvågor i kisel involverar inte standardskiktstrukturen. Alternativt hybridintegration av ytterligare, icke-standardiserade material var nödvändigt.

"Den första utmaningen kan övervinnas genom att använda akustiska vågor som utbreder sig på den övre ytan av kiselchipet, ", fortsätter Munk. "Dessa akustiska ytvågor läcker inte ner lika snabbt. Här, dock, Det finns en annan fråga:Generering av akustiska vågor bygger vanligtvis på piezoelektriska kristaller. Dessa kristaller expanderar när en spänning appliceras på dem. Tyvärr, denna fysiska effekt finns inte i kisel, och vi föredrar att undvika att introducera ytterligare material till enheten."

Som ett alternativ, studenter Munk, Moshe Katzman och medarbetare förlitade sig på belysning av metaller. "Inkommande ljus bär signalen av intresse, " förklarar Katzman. "Det bestrålar ett metallmönster på chipet. Metallerna expanderar och drar ihop sig, och sila kiselytan nedanför. Med rätt design, den initiala spänningen kan driva akustiska ytvågor. I tur och ordning, de akustiska vågorna passerar över vanliga optiska vågledare i samma chip. Ljus i dessa vågledare påverkas av ytvågorna. På det här sättet, signalen av intresse omvandlas från en optisk våg till en annan via akustik. Sålänge, betydande förseningar ackumuleras inom mycket kort räckvidd."

Konceptet kombinerar ljus och ljud i standardkisel utan upphängning av membran eller användning av piezoelektriska kristaller. Akustiska frekvenser upp till 8 GHz uppnås, konceptet är dock skalbart till 100 GHz. Arbetsprincipen är tillämplig på alla underlag, inte bara kisel. Tillämpningar presenteras också:konceptet används i smalbandsfilter av ingående radiofrekventa signaler. De mycket selektiva filtren använder sig av 40 nanosekunders långa fördröjningar. "Istället för att använda fem meter vågledare, vi uppnår denna fördröjning inom 150 mikron, säger Munk.

Prof. Zadok sammanfattar:"Akustik är en saknad dimension i kiselchips eftersom akustik kan utföra specifika uppgifter som är svåra att göra med enbart elektronik och optik. För första gången har vi lagt till denna dimension till standardkiselfotonikplattformen. Konceptet kombinerar kommunikationen och bandbredden som erbjuds av ljus med selektiv bearbetning av ljudvågor."

En potentiell tillämpning av sådana enheter är i framtida mobilnät, allmänt känt som 5G. Enbart digital elektronik kanske inte räcker för att stödja signalbehandlingskraven i sådana nätverk. Ljus- och ljudenheter kan göra susen.