O crescimento contínuo do tráfego de dados sem fio e celular depende fortemente das ondas de luz. Fotônica de microondas na área de tecnologia dedica-se à distribuição e processamento de sinais elétricos de informação por meios ópticos. Em comparação com soluções tradicionais baseadas apenas em eletrônica, os sistemas fotônicos de micro-ondas podem lidar com grandes quantidades de dados. Portanto, a fotônica de micro-ondas tornou-se cada vez mais importante como parte das redes celulares 5G e além. Uma tarefa primária da fotônica de micro-ondas é a realização de filtros de banda estreita: a seleção de dados específicos, em frequências específicas, a partir de imensos volumes que são transportados pela luz.
Muitos sistemas fotônicos de microondas são construídos com componentes distintos e separados e longos caminhos de fibra óptica. No entanto, os requisitos de custo, tamanho, consumo de energia e volume de produção de redes avançadas exigem uma nova geração de sistemas fotônicos de microondas que são realizados em um chip. Filtros fotônicos de micro-ondas integrados, particularmente em silício, são muito procurados. Há, no entanto, um desafio fundamental: os filtros de banda estreita exigem que os sinais sejam atrasados por períodos comparativamente longos como parte de seu processamento.
“Como a velocidade da luz é tão rápida”, diz o Prof. Avi Zadok da Bar-Ilan University, Israel, “ficamos sem espaço para o chip antes que os atrasos necessários sejam acomodados. Os atrasos necessários podem chegar a mais de 100 nanossegundos. Esses atrasos podem parecer curtos, considerando a experiência diária; no entanto, os caminhos ópticos que os suportam têm mais de dez metros de comprimento. Não podemos encaixar caminhos tão longos como parte de um chip de silício. Mesmo se pudéssemos de alguma forma dobrar tantos metros em um determinado layout, a extensão das perdas de potência óptica para acompanhá-lo seria proibitiva. ”
Esses longos atrasos exigem um tipo diferente de onda, que viaja muito mais lentamente. Em um estudo publicado recentemente na revista Optica, Zadok e sua equipe da Faculdade de Engenharia e Instituto de Nanotecnologia e Materiais Avançados da Universidade Bar-Ilan, e colaboradores da Universidade Hebraica de Jerusalém e Tower Semiconductors, sugerem uma solução. Eles reuniram ondas de luz e ultrassônicas para realizar filtros ultra estreitos de sinais de microondas, em circuitos integrados de silício. O conceito permite grande liberdade para o design do filtro.
Moshe Katzman, estudante de doutorado da Bar-Ilan University, explica: “Aprendemos como converter as informações de interesse da forma de ondas de luz em ultrassom, ondas acústicas de superfície e, em seguida, de volta à óptica. As ondas acústicas da superfície viajam a uma velocidade 100,000 mais lenta. Podemos acomodar os atrasos de que precisamos como parte de nosso chip de silício, em menos de um milímetro e com perdas que são muito razoáveis. ”
As ondas acústicas têm servido para o processamento de informações há sessenta anos; no entanto, sua integração no nível do chip com as ondas de luz provou ser complicada. Moshe Katzman continua, “Na última década, vimos demonstrações de como as ondas de luz e ultrassom podem ser reunidas em um dispositivo de chip, para formar excelentes filtros fotônicos de micro-ondas. No entanto, as plataformas utilizadas eram mais especializadas. Parte do apelo da solução está em sua simplicidade. A fabricação de dispositivos é baseada em protocolos de rotina de guias de onda de silício. Não estamos fazendo nada extravagante aqui. ” Os filtros realizados são de banda muito estreita: a largura espectral das bandas de passagem dos filtros é de apenas 5 MHz.
A fim de realizar filtros de banda estreita, as ondas acústicas de superfície portadoras de informação são impressas várias vezes na onda de luz de saída. O aluno de doutorado Maayan Priel elabora: “O sinal acústico cruza o caminho da luz até 12 vezes, dependendo da escolha do layout. Cada um desses eventos imprime uma réplica do nosso sinal de interesse na onda óptica. Devido à baixa velocidade acústica, esses eventos são separados por longos atrasos. Sua soma geral é o que faz os filtros funcionarem. ” Como parte de sua pesquisa, a equipe relata controle completo sobre cada réplica, para a realização de respostas de filtro arbitrárias. Maayan Priel conclui: “A liberdade de projetar a resposta dos filtros é tirar o máximo proveito do integrado, microondas-plataforma fotônica. ”