La continua crescita del traffico dati wireless e cellulare dipende fortemente dalle onde luminose. La fotonica a microonde nel campo della la tecnologia è dedicato alla distribuzione e all'elaborazione di segnali elettrici di informazione mediante mezzi ottici. Rispetto alle soluzioni tradizionali basate esclusivamente sull’elettronica, i sistemi fotonici a microonde possono gestire enormi quantità di dati. Pertanto, la fotonica a microonde è diventata sempre più importante come parte delle reti cellulari 5G e oltre. Uno dei compiti principali della fotonica a microonde è la realizzazione di filtri a banda stretta: la selezione di dati specifici, a frequenze specifiche, da immensi volumi trasportati dalla luce.
Molti sistemi fotonici a microonde sono costruiti con componenti separati e separati e lunghi percorsi in fibra ottica. Tuttavia, i requisiti di costo, dimensioni, consumo energetico e volume di produzione delle reti avanzate richiedono una nuova generazione di sistemi fotonici a microonde realizzati su un chip. I filtri fotonici a microonde integrati, in particolare in silicio, sono molto ricercati. Esiste, tuttavia, una sfida fondamentale: i filtri a banda stretta richiedono che i segnali vengano ritardati per periodi relativamente lunghi come parte della loro elaborazione.
"Poiché la velocità della luce è così elevata", afferma il prof. Avi Zadok dell'Università Bar-Ilan, Israele, "esauriamo lo spazio per i chip prima che vengano risolti i ritardi necessari. I ritardi richiesti possono superare i 100 nanosecondi. Tali ritardi possono sembrare brevi considerando l'esperienza quotidiana; tuttavia, i percorsi ottici che li supportano sono lunghi oltre dieci metri. Non è possibile adattare percorsi così lunghi come parte di un chip di silicio. Anche se potessimo in qualche modo ripiegare su quel numero di metri in un determinato layout, l'entità delle perdite di potenza ottica per accompagnarlo sarebbe proibitivo. "
Questi lunghi ritardi richiedono un diverso tipo di onda, che viaggia molto più lentamente. In uno studio recentemente pubblicato sulla rivista Optica, Zadok e il suo team della Facoltà di ingegneria e dell'Istituto di nanotecnologia e materiali avanzati dell'Università Bar-Ilan, e collaboratori dell'Università ebraica di Gerusalemme e Tower Semiconductors, suggeriscono una soluzione. Hanno riunito onde luminose e ultrasoniche per realizzare filtri ultra-stretti di segnali a microonde, in circuiti integrati di silicio. Il concetto consente una grande libertà per la progettazione del filtro.
Il dottorando della Bar-Ilan University Moshe Katzman spiega: “Abbiamo imparato come convertire le informazioni di interesse dalla forma di onde luminose a ultrasuoni, onde acustiche di superficie e poi di nuovo all'ottica. Le onde acustiche di superficie viaggiano a una velocità più lenta di 100,000. Siamo in grado di sopportare i ritardi di cui abbiamo bisogno come parte del nostro chip di silicio, entro meno di un millimetro e con perdite molto ragionevoli ".
Le onde acustiche servono da sessant'anni per l'elaborazione delle informazioni; tuttavia, la loro integrazione a livello di chip insieme alle onde luminose si è dimostrata complicata. Moshe Katzman continua: “Negli ultimi dieci anni, abbiamo assistito a dimostrazioni fondamentali di come la luce e le onde ultrasoniche possono essere riunite su un dispositivo a chip, per creare filtri fotonici a microonde eccellenti. Tuttavia, 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 niente di speciale qui. " I filtri realizzati sono a banda molto stretta: l'ampiezza spettrale delle bande passanti dei filtri è di soli 5 MHz.
Per realizzare filtri a banda stretta, le onde acustiche superficiali che trasportano informazioni vengono impresse più volte sull'onda luminosa in uscita. Il dottorando Maayan Priel spiega: “Il segnale acustico attraversa il percorso della luce fino a 12 volte, a seconda della scelta del layout. Ciascuno di questi eventi imprime una replica del nostro segnale di interesse sull'onda ottica. 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 ottenere il massimo dall'integrato, microonde-piattaforma fotonica. "