El crecimiento continuo del tráfico de datos inalámbricos y celulares depende en gran medida de las ondas de luz. Fotónica de microondas en el campo de la tecnología se dedica a la distribución y procesamiento de señales de información eléctrica mediante medios ópticos. En comparación con las soluciones tradicionales basadas únicamente en la electrónica, los sistemas fotónicos de microondas pueden manejar cantidades masivas de datos. Por lo tanto, la fotónica de microondas se ha vuelto cada vez más importante como parte de las redes celulares 5G y más allá. Una tarea principal de la fotónica de microondas es la realización de filtros de banda estrecha: la selección de datos específicos, en frecuencias específicas, a partir de inmensos volúmenes que son transportados por la luz.
Muchos sistemas fotónicos de microondas están construidos con componentes separados y discretos y trayectos largos de fibra óptica. Sin embargo, los requisitos de costo, tamaño, consumo de energía y volumen de producción de las redes avanzadas exigen una nueva generación de sistemas fotónicos de microondas que se realizan en un chip. Los filtros fotónicos de microondas integrados, particularmente de silicio, son muy buscados. Sin embargo, existe un desafío fundamental: los filtros de banda estrecha requieren que las señales se retrasen durante períodos relativamente largos como parte de su procesamiento.
“Dado que la velocidad de la luz es tan rápida”, dice el profesor Avi Zadok de la Universidad Bar-Ilan, Israel, “nos quedamos sin espacio en el chip antes de que se acomoden los retrasos necesarios. Los retrasos necesarios pueden superar los 100 nanosegundos. Tales retrasos pueden parecer breves considerando la experiencia diaria; sin embargo, los caminos ópticos que los soportan tienen más de diez metros de largo. No podemos encajar caminos tan largos como parte de un chip de silicio. Incluso si de alguna manera pudiéramos doblar esa cantidad de metros en un determinado diseño, el alcance de las pérdidas de potencia óptica sería prohibitivo ".
Estos retrasos prolongados requieren un tipo diferente de onda, una que viaje mucho más lentamente. En un estudio publicado recientemente en la revista óptica, Zadok y su equipo de la Facultad de Ingeniería e Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados de la Universidad Bar-Ilan, y colaboradores de la Universidad Hebrea de Jerusalén y Tower Semiconductors, sugieren una solución. Reunieron ondas de luz y ultrasónicas para realizar filtros ultra estrechos de señales de microondas, en circuitos integrados de silicio. El concepto permite una gran libertad para el diseño de filtros.
El estudiante de doctorado de la Universidad Bar-Ilan Moshe Katzman explica: “Hemos aprendido cómo convertir la información de interés de la forma de ondas de luz a ondas acústicas superficiales ultrasónicas, y luego de nuevo a la óptica. Las ondas acústicas de la superficie viajan a una velocidad 100,000 más lenta. Podemos adaptarnos a los retrasos que necesitamos como parte de nuestro chip de silicio, en menos de un milímetro, y con pérdidas que son muy razonables ”.
Las ondas acústicas han servido para el procesamiento de información durante sesenta años; sin embargo, su integración a nivel de chip junto con las ondas de luz ha resultado complicada. Moshe Katzman continúa: “Durante la última década, hemos visto demostraciones históricas de cómo las ondas de luz y ultrasonido se pueden unir en un dispositivo de chip, para formar excelentes filtros fotónicos de microondas. Sin embargo, las plataformas utilizadas fueron más especializadas. Parte del atractivo de la solución reside en su simplicidad. La fabricación de dispositivos se basa en protocolos rutinarios de guías de ondas de silicio. No estamos haciendo nada elegante aquí ". Los filtros realizados son de banda muy estrecha: el ancho espectral de las bandas de paso de los filtros es de solo 5 MHz.
Para realizar filtros de banda estrecha, las ondas acústicas de la superficie portadora de información se imprimen en la onda de luz de salida varias veces. La estudiante de doctorado Maayan Priel explica: “La señal acústica cruza el camino de la luz hasta 12 veces, dependiendo de la elección del diseño. Cada uno de estos eventos imprime una réplica de nuestra señal de interés en la onda óptica. Debido a la baja velocidad acústica, estos eventos están separados por grandes retrasos. Su suma general es lo que hace que los filtros funcionen ". Como parte de su investigación, el equipo informa un control total sobre cada réplica, hacia la realización de respuestas de filtro arbitrarias. Maayan Priel concluye: “La libertad de diseñar la respuesta de los filtros es aprovechar al máximo la tecnología integrada, microonda-plataforma fotónica ".