La continua crescita del traffico dati wireless e cellulare dipende fortemente dalle onde luminose. La fotonica a microonde è il campo della tecnologia dedicato alla distribuzione e all'elaborazione di segnali di informazione elettrici utilizzando mezzi ottici. Rispetto alle soluzioni tradizionali basate sulla sola elettronica, i sistemi fotonici a microonde possono gestire enormi quantità di dati. Perciò, la fotonica a microonde è diventata sempre più importante come parte delle reti cellulari 5G e oltre. Un compito primario della fotonica a microonde è la realizzazione di filtri a banda stretta:la selezione di dati specifici, a frequenze specifiche, da volumi immensi trasportati dalla luce.

Molti sistemi fotonici a microonde sono costituiti da componenti discreti, componenti separati e lunghi percorsi in fibra ottica. Però, il costo, dimensione, i requisiti di consumo energetico e volume di produzione delle reti avanzate richiedono una nuova generazione di sistemi fotonici a microonde realizzati su un chip. Filtri fotonici a microonde integrati, in particolare in silicio, sono molto ricercati. C'è, però, una sfida fondamentale:i filtri a banda stretta richiedono che i segnali vengano ritardati per durate relativamente lunghe come parte della loro elaborazione.

"Dato che la velocità della luce è così veloce, " afferma il Prof. Avi Zadok della Bar-Ilan University, Israele, " esauriamo lo spazio del chip prima che vengano sistemati i ritardi necessari. I ritardi richiesti possono raggiungere oltre 100 nanosecondi. Tali ritardi possono sembrare brevi considerando l'esperienza quotidiana; tuttavia, i cammini ottici che li supportano sono lunghi oltre dieci metri. Non possiamo adattare percorsi così lunghi come parte di un chip di silicio. Anche se potessimo in qualche modo piegarci per così tanti metri in un certo layout, l'entità delle perdite di potenza ottica sarebbe proibitiva."

Questi lunghi ritardi richiedono un diverso tipo di onda, uno che viaggia molto più lentamente. In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista ottica , Zadok e il suo team della Facoltà di Ingegneria e dell'Istituto di nanotecnologia e materiali avanzati dell'Università di Bar-Ilan, e collaboratori dell'Università Ebraica di Gerusalemme e della Tower Semiconductors, suggerire una soluzione. Hanno unito onde luminose e ultrasoniche per realizzare filtri ultrasottili di segnali a microonde, nei circuiti integrati al silicio. Il concetto consente ampia libertà per la progettazione dei filtri.

Il dottorando della Bar-Ilan University Moshe Katzman spiega:"Abbiamo imparato come convertire le informazioni di interesse dalla forma delle onde luminose agli ultrasuoni, onde acustiche di superficie, e poi torniamo all'ottica. Le onde acustiche di superficie viaggiano ad una velocità che è 100, 000 più lento. Siamo in grado di soddisfare i ritardi di cui abbiamo bisogno come parte del nostro chip di silicio, in meno di un millimetro, e con perdite molto ragionevoli".

Le onde acustiche servono da sessant'anni per l'elaborazione delle informazioni; però, la loro integrazione a livello di chip insieme alle onde luminose si è rivelata complicata. Moshe Katzman continua, "Nell'ultimo decennio abbiamo assistito a dimostrazioni epocali di come le onde luminose e ultrasoniche possono essere riunite su un dispositivo a chip, per realizzare ottimi filtri fotonici a microonde. Però, le piattaforme utilizzate erano più specializzate. Parte del fascino della soluzione sta nella sua semplicità. La fabbricazione dei dispositivi si basa su protocolli di routine di guide d'onda in silicio. Non stiamo facendo nulla di stravagante qui." I filtri realizzati sono a banda molto stretta:la larghezza spettrale delle bande passanti dei filtri è di soli 5 MHz.

Per realizzare filtri a banda stretta, le onde acustiche di superficie che trasportano le informazioni vengono impresse più volte sull'onda luminosa in uscita. Il dottorando Maayan Priel elabora, "Il segnale acustico attraversa il percorso luminoso fino a 12 volte, a seconda della scelta del layout. Ciascuno di questi eventi imprime sull'onda ottica una replica del nostro segnale di interesse. A causa della bassa velocità acustica, questi eventi sono separati da lunghi ritardi. La loro somma complessiva è ciò che fa funzionare i filtri." Come parte della loro ricerca, il team riporta il controllo completo su ogni replica, verso la realizzazione di risposte di filtro arbitrarie. Maayan Priel conclude, "La libertà di progettare la risposta dei filtri è sfruttare al meglio l'integrato, piattaforma fotonica a microonde."