Immagine al microscopio vista dall'alto di un dispositivo fotonico ad onde acustiche di superficie in silicio su isolante. Un reticolo di strisce dorate (a destra) viene utilizzato per guidare le onde acustiche, che quindi influenzano la luce nelle guide d'onda standard. Credito:D. Munk, M. Katzman, M. Gallina, M. Priel, M. Feldberg, T. Sharabani, S. Levy, A. Bergman, e A. Zadok
Le capacità dei circuiti elettronici sono state ampliate con l'introduzione della fotonica:componenti per la generazione, guida e rilevamento della luce. Insieme, l'elettronica e la fotonica supportano interi sistemi per la comunicazione e l'elaborazione dei dati, tutto su un chip. Però, ci sono alcune cose che nemmeno i segnali elettrici e ottici possono fare semplicemente perché si muovono troppo velocemente.
Qualche volta, muoversi lentamente è effettivamente meglio, secondo il Prof. Avi Zadok della Facoltà di Ingegneria dell'Università di Bar-Ilan e dell'Istituto di nanotecnologie e materiali avanzati. "Importanti compiti di elaborazione del segnale, come la selezione precisa dei canali di frequenza, richiedono che i dati siano ritardati su scale temporali di decine di nanosecondi. Data l'elevata velocità della luce, le onde ottiche si propagano per molti metri all'interno di questi tempi. Non è possibile accettare tali lunghezze di percorso in un chip di silicio. Non è realistico. In questa gara, veloce non vince necessariamente."
Il problema, infatti, è piuttosto vecchio. I circuiti elettronici analogici hanno affrontato sfide simili nell'elaborazione del segnale per 60 anni. Un'ottima soluzione è stata trovata sotto forma di acustica:un segnale di interesse viene convertito dal dominio elettrico alla forma di un'onda acustica. La velocità del suono è Certo, più lento di quello della luce di un fattore 100, 000. Le onde acustiche acquisiscono i ritardi necessari su decine di micrometri anziché metri. Tali lunghezze di percorso sono facilmente adattabili su chip. Dopo la propagazione, il segnale ritardato può essere riconvertito in elettronica.
In un nuovo lavoro pubblicato oggi sulla rivista Comunicazioni sulla natura , Zadok e collaboratori trasferiscono questo principio ai circuiti silicio-fotonici.
"Ci sono diverse difficoltà nell'introdurre onde acustiche nei chip di silicio, " dice il dottorando Dvir Munk, dell'Università Bar-Ilan, che hanno partecipato allo studio. "La struttura a strati standard utilizzata per la fotonica del silicio si chiama silicio su isolante. Sebbene questa struttura guidi la luce in modo molto efficace, non può confinare e guidare le onde sonore. Anziché, le onde acustiche fuoriescono." A causa di questa difficoltà, i lavori precedenti che combinano onde luminose e sonore in silicio non coinvolgono la struttura a strati standard. In alternativa, integrazione ibrida di ulteriori, erano necessari materiali non standard.
Risposta in frequenza misurata di un filtro a radiofrequenza stretto, realizzato utilizzando onde luminose e sonore in un chip di silicio. Blu:risultati sperimentali. Rosso:risposta progettata. Credito:D. Munk, M. Katzman, M. Gallina, M. Priel, M. Feldberg, T. Sharabani, S. Levy, A. Bergman, e A. Zadok
"Questa prima sfida può essere superata utilizzando onde acustiche che si propagano sulla superficie superiore del chip di silicio, " continua Munk. "Queste onde acustiche di superficie non si disperdono così rapidamente. Qui, però, c'è un altro problema:la generazione di onde acustiche di solito si basa su cristalli piezoelettrici. Questi cristalli si espandono quando viene loro applicata una tensione. Sfortunatamente, questo effetto fisico non esiste nel silicio, e preferiamo di gran lunga evitare di introdurre materiali aggiuntivi nel dispositivo."
In alternativa, studenti Munk, Moshe Katzman e collaboratori facevano affidamento sull'illuminazione dei metalli. "La luce in arrivo porta il segnale di interesse, " spiega Katzman. "Irradia uno schema metallico sul chip. I metalli si espandono e si contraggono, e filtrare la superficie di silicio sottostante. Con un design appropriato, quella tensione iniziale può guidare le onde acustiche di superficie. A sua volta, le onde acustiche passano attraverso guide d'onda ottiche standard nello stesso chip. La luce in quelle guide d'onda è influenzata dalle onde di superficie. In questo modo, il segnale di interesse viene convertito da un'onda ottica all'altra tramite l'acustica. Intanto, si accumula un ritardo significativo in un raggio molto breve."
Il concetto combina luce e suono in silicio standard senza sospensione di membrane o uso di cristalli piezoelettrici. Si raggiungono frequenze acustiche fino a 8 GHz, tuttavia il concetto è scalabile a 100 GHz. Il principio di funzionamento è applicabile a qualsiasi substrato, non solo silicio Vengono presentate anche le applicazioni:il concetto viene utilizzato nei filtri a banda stretta dei segnali a radiofrequenza in ingresso. I filtri altamente selettivi utilizzano ritardi lunghi 40 nanosecondi. "Piuttosto che usare cinque metri di guida d'onda, raggiungiamo questo ritardo entro 150 micron, "dice Munk.
Il prof. Zadok riassume:"L'acustica è una dimensione mancante nei chip di silicio perché l'acustica può svolgere compiti specifici che sono difficili da svolgere solo con l'elettronica e l'ottica. Per la prima volta abbiamo aggiunto questa dimensione alla piattaforma standard di fotonica al silicio. Il concetto combina la comunicazione e la larghezza di banda offerte dalla luce con l'elaborazione selettiva delle onde sonore."
Una potenziale applicazione di tali dispositivi è nelle future reti cellulari, ampiamente conosciuto come 5G. L'elettronica digitale da sola potrebbe non essere sufficiente per supportare i requisiti di elaborazione del segnale in tali reti. I dispositivi luminosi e audio potrebbero fare il trucco.
