Das anhaltende Wachstum des drahtlosen und zellularen Datenverkehrs hängt stark von Lichtwellen ab. Mikrowellenphotonik im Bereich Technologie widmet sich der Verteilung und Verarbeitung elektrischer Informationssignale mit optischen Mitteln. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen, die ausschließlich auf Elektronik basieren, können mikrowellenphotonische Systeme riesige Datenmengen verarbeiten. Daher hat die Mikrowellenphotonik als Teil von 5G-Mobilfunknetzen und darüber hinaus immer mehr an Bedeutung gewonnen. Eine Hauptaufgabe der Mikrowellenphotonik ist die Realisierung von Schmalbandfiltern: Die Auswahl spezifischer Daten bei bestimmten Frequenzen aus riesigen Volumina, die über Licht transportiert werden.
Viele photonische Mikrowellensysteme bestehen aus diskreten, separaten Komponenten und langen Lichtwellenleiterpfaden. Die Anforderungen an Kosten, Größe, Stromverbrauch und Produktionsvolumen moderner Netzwerke erfordern jedoch eine neue Generation von Mikronik-Photoniksystemen, die auf einem Chip realisiert werden. Integrierte photonische Mikrowellenfilter, insbesondere in Silizium, sind sehr gefragt. Es gibt jedoch eine grundlegende Herausforderung: Schmalbandfilter erfordern, dass Signale im Rahmen ihrer Verarbeitung für vergleichsweise lange Zeiträume verzögert werden.
„Da die Lichtgeschwindigkeit so hoch ist“, sagt Prof. Avi Zadok von der Bar-Ilan-Universität in Israel, „haben wir keinen Chip mehr, bevor die erforderlichen Verzögerungen berücksichtigt werden. Die erforderlichen Verzögerungen können über 100 Nanosekunden betragen. Solche Verzögerungen scheinen angesichts der täglichen Erfahrung kurz zu sein. Die optischen Pfade, die sie unterstützen, sind jedoch über zehn Meter lang. Wir können unmöglich so lange Wege als Teil eines Siliziumchips einpassen. Selbst wenn wir in einem bestimmten Layout irgendwie so viele Meter umklappen könnten, wäre das Ausmaß der damit verbundenen optischen Leistungsverluste unerschwinglich. “
Diese langen Verzögerungen erfordern einen anderen Wellentyp, der sich viel langsamer ausbreitet. In einer kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Studie OpticaZadok und sein Team von der Fakultät für Ingenieurwissenschaften und dem Institut für Nanotechnologie und fortgeschrittene Materialien der Bar-Ilan-Universität sowie Mitarbeiter der Hebräischen Universität von Jerusalem und Tower Semiconductors schlagen eine Lösung vor. Sie brachten Licht- und Ultraschallwellen zusammen, um ultra-schmale Filter von Mikrowellensignalen in integrierten Siliziumschaltungen zu realisieren. Das Konzept ermöglicht eine große Freiheit bei der Filtergestaltung.
Der Doktorand der Bar-Ilan-Universität, Moshe Katzman, erklärt: „Wir haben gelernt, wie man die interessierenden Informationen von der Form der Lichtwellen in Ultraschall, akustische Oberflächenwellen und dann zurück in die Optik umwandelt. Die akustischen Oberflächenwellen bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die 100,000 langsamer ist. Wir können die Verzögerungen, die wir als Teil unseres Siliziumchips benötigen, innerhalb von weniger als einem Millimeter und mit Verlusten, die sehr vernünftig sind, ausgleichen. “
Schallwellen dienen seit sechzig Jahren der Informationsverarbeitung; Die Integration auf Chipebene neben Lichtwellen hat sich jedoch als schwierig erwiesen. Moshe Katzman fährt fort: „In den letzten zehn Jahren haben wir wegweisende Demonstrationen gesehen, wie Licht und Ultraschallwellen auf einem Chip-Gerät zusammengeführt werden können, um hervorragende photonische Mikrowellenfilter herzustellen. Die verwendeten Plattformen waren jedoch spezialisierter. Ein Teil der Attraktivität der Lösung liegt in ihrer Einfachheit. Die Herstellung von Bauelementen basiert auf Routineprotokollen von Siliziumwellenleitern. Wir machen hier nichts Besonderes. “ Die realisierten Filter sind sehr schmalbandig: Die spektrale Breite der Durchlassbänder der Filter beträgt nur 5 MHz.
Um Schmalbandfilter zu realisieren, werden die informationstragenden akustischen Oberflächenwellen mehrmals auf die Ausgangslichtwelle aufgedruckt. Der Doktorand Maayan Priel erklärt: „Das akustische Signal kreuzt den Lichtweg je nach Wahl des Layouts bis zu 12 Mal. Jedes dieser Ereignisse prägt eine Replik unseres interessierenden Signals auf die optische Welle. Aufgrund der langsamen Schallgeschwindigkeit sind diese Ereignisse durch lange Verzögerungen getrennt. Durch ihre Gesamtsumme funktionieren die Filter. “ Im Rahmen ihrer Forschung meldet das Team die vollständige Kontrolle über jedes Replikat, um willkürliche Filterantworten zu realisieren. Maayan Priel fasst zusammen: „Die Freiheit, die Reaktion der Filter zu gestalten, macht das Beste aus dem Integrierten. Mikrowelle-photonische Plattform. "