De aanhoudende groei van draadloos en mobiel dataverkeer is sterk afhankelijk van lichtgolven. Microgolffotonica op het gebied van technologie is gewijd aan de distributie en verwerking van elektrische informatiesignalen met behulp van optische middelen. Vergeleken met traditionele oplossingen die alleen op elektronica zijn gebaseerd, kunnen microgolffotonische systemen enorme hoeveelheden gegevens verwerken. Daarom is microgolffotonica steeds belangrijker geworden als onderdeel van 5G mobiele netwerken en daarbuiten. Een primaire taak van microgolffotonica is de realisatie van smalbandfilters: de selectie van specifieke gegevens, op specifieke frequenties, uit immense volumes die over licht worden overgedragen.
Veel microgolffotonische systemen zijn opgebouwd uit discrete, afzonderlijke componenten en lange optische vezelpaden. De vereisten voor kosten, grootte, stroomverbruik en productievolume van geavanceerde netwerken vragen echter om een nieuwe generatie microgolffotonische systemen die op een chip worden gerealiseerd. Geïntegreerde microgolffotonische filters, met name in silicium, zijn zeer gewild. Er is echter een fundamentele uitdaging: smalbandfilters vereisen dat signalen relatief lang worden vertraagd als onderdeel van hun verwerking.
"Omdat de snelheid van het licht zo snel is", zegt prof. Avi Zadok van de Bar-Ilan University, Israël, "hebben we geen chipruimte meer voordat de nodige vertragingen zijn opgevangen. De vereiste vertragingen kunnen oplopen tot meer dan 100 nanoseconden. Dergelijke vertragingen kunnen kort lijken gezien de dagelijkse ervaring; de optische paden die ze ondersteunen zijn echter meer dan tien meter lang. We kunnen onmogelijk zulke lange paden als onderdeel van een siliciumchip passen. Zelfs als we op de een of andere manier zoveel meters in een bepaalde lay-out zouden kunnen omvouwen, zou de omvang van de daarmee gepaard gaande optische vermogensverliezen onbetaalbaar zijn.”
Deze lange vertragingen vereisen een ander type golf, een die veel langzamer reist. In een recent gepubliceerd onderzoek in het tijdschrift optica, Zadok en zijn team van de Faculteit Ingenieurswetenschappen en het Instituut voor Nanotechnologie en Geavanceerde Materialen aan de Bar-Ilan Universiteit, en medewerkers van de Hebreeuwse Universiteit van Jeruzalem en Tower Semiconductors, suggereren een oplossing. Ze brachten licht en ultrasone golven samen om ultrasmalle filters van microgolfsignalen te realiseren in geïntegreerde siliciumcircuits. Het concept biedt grote vrijheid voor filterontwerp.
Bar-Ilan University promovendus Moshe Katzman legt uit: “We hebben geleerd hoe we de informatie van belang kunnen omzetten van de vorm van lichtgolven naar ultrasone, akoestische oppervlaktegolven, en dan terug naar optica. De akoestische oppervlaktegolven reizen met een snelheid die 100,000 langzamer is. We kunnen de vertragingen die we nodig hebben als onderdeel van onze siliciumchip opvangen binnen minder dan een millimeter, en met verliezen die zeer redelijk zijn.”
Akoestische golven dienen al zestig jaar voor de verwerking van informatie; hun integratie op chipniveau naast lichtgolven is echter lastig gebleken. Moshe Katzman vervolgt: "In het afgelopen decennium hebben we baanbrekende demonstraties gezien van hoe licht en ultrasone golven kunnen worden samengebracht op een chipapparaat om uitstekende microgolffotonische filters te maken. De gebruikte platforms waren echter meer gespecialiseerd. Een deel van de aantrekkingskracht van de oplossing zit in zijn eenvoud. De fabricage van apparaten is gebaseerd op routineprotocollen van siliciumgolfgeleiders. We doen hier niets bijzonders.” De gerealiseerde filters zijn zeer smalbandig: de spectrale breedte van de doorlaatbanden van de filters is slechts 5 MHz.
Om smalbandfilters te realiseren, worden de informatiedragende akoestische oppervlaktegolven meerdere keren op de uitgangslichtgolf gedrukt. Promovendus Maayan Priel licht toe: “Het akoestische signaal kruist het lichtpad tot 12 keer, afhankelijk van de gekozen opstelling. Elke dergelijke gebeurtenis drukt een replica van ons van belang zijnde signaal af op de optische golf. Vanwege de lage akoestische snelheid worden deze gebeurtenissen gescheiden door lange vertragingen. Hun algehele sommatie zorgt ervoor dat de filters werken.” Als onderdeel van hun onderzoek rapporteert het team volledige controle over elke replica, met het oog op de realisatie van willekeurige filterreacties. Maayan Priel concludeert: "De vrijheid om de respons van de filters te ontwerpen, is om het meeste uit de geïntegreerde, magnetron-fotonisch platform.”