Los circuitos integrados en silicio permiten nuestra era digital. Las capacidades de los circuitos electrónicos se han ampliado aún más con la introducción de la fotónica: componentes para la generación, guía y detección de luz. Juntos, la electrónica y la fotónica admiten sistemas completos para la comunicación de datos yprocesamiento, todo en un chip. Sin embargo, hay ciertas cosas que incluso las señales eléctricas y ópticas no pueden hacer simplemente porque se mueven demasiado rápido.
Según el profesor Avi Zadok, de la Facultad de Ingeniería de la Universidad de Bar-Ilan y el Instituto de Nanotecnología y Materiales Avanzados, en realidad, moverse lentamente es mejor ". Las tareas importantes de procesamiento de señales, como la selección precisa de canales de frecuencia, requieren que los datos seanretrasado en escalas de tiempo de decenas de nanosegundos. Dada la rápida velocidad de la luz, las ondas ópticas se propagan a lo largo de muchos metros dentro de estos marcos de tiempo. Uno no puede acomodar tales longitudes de ruta en un chip de silicio. No es realista. En esta carrera, rápido nono necesariamente gana "
El problema, de hecho, es bastante antiguo. Los circuitos electrónicos analógicos han enfrentado desafíos similares en el procesamiento de señales durante sesenta años. Se encontró una solución excelente en forma de acústica: una señal de interés se convierte del dominio eléctricoa la forma de una onda acústica. La velocidad del sonido, por supuesto, es más lenta que la de la luz en un factor de 100,000. Las ondas acústicas adquieren los retrasos necesarios a lo largo de decenas de micro metros en lugar de metros.en el chip. Después de la propagación, la señal retrasada se puede volver a convertir en electrónica.
En un nuevo trabajo publicado hoy 16 de septiembre de 2019 en la revista Comunicaciones de la naturaleza , Zadok y sus compañeros de trabajo llevan este principio a los circuitos fotónicos de silicio.
"Hay varias dificultades para introducir ondas acústicas en chips de silicio", dice el estudiante de doctorado Dvir Munk, de la Universidad de Bar-Ilan, que participó en el estudio. "La estructura de capa estándar utilizada para la fotónica de silicio se llama silicio en el aislante.esta estructura guía la luz de manera muy efectiva, no puede limitar y guiar las ondas de sonido. En cambio, las ondas acústicas simplemente se escapan ". Debido a esta dificultad, los trabajos anteriores que combinan ondas de luz y sonido en silicio no involucran la estructura de capas estándar. Alternativamente, híbridoera necesaria la integración de materiales adicionales no estándar.
"Ese primer desafío se puede superar mediante el uso de ondas acústicas que se propagan en la superficie superior del chip de silicio", continúa Munk. "Estas ondas acústicas superficiales no se filtran tan rápido. Aquí, sin embargo, hay otro problema: la generaciónde ondas acústicas generalmente se basa en cristales piezoeléctricos. Estos cristales se expanden cuando se les aplica un voltaje. Desafortunadamente, este efecto físico no existe en el silicio, y preferimos evitar introducir materiales adicionales en el dispositivo ".
Como alternativa, los estudiantes Munk, Moshe Katzman y sus compañeros de trabajo confiaron en la iluminación de los metales. "La luz entrante lleva la señal de interés", explica Katzman. "Irradia un patrón de metal en el chip. Los metales se expanden y contraen, ytensar la superficie de silicio debajo. Con un diseño adecuado, esa deformación inicial puede conducir ondas acústicas superficiales. A su vez, las ondas acústicas pasan a través de guías de ondas ópticas estándar en el mismo chip. La luz en esas guías de ondas se ve afectada por las ondas de superficie. De esta manera,la señal de interés se convierte de una onda óptica a otra a través de la acústica. Mientras tanto, se acumula un retraso significativo a muy poca distancia ".
El concepto combina luz y sonido en silicio estándar sin suspensión de membranas o uso de cristales piezoeléctricos. Se alcanzan frecuencias acústicas de hasta 8 GHz, sin embargo, el concepto es escalable a 100 GHz. El principio de funcionamiento es aplicable a cualquier sustrato, no solo silicio. También se presentan aplicaciones: el concepto se utiliza en filtros de banda estrecha de señales de radiofrecuencia de entrada. Los filtros altamente selectivos utilizan retrasos largos de 40 nanosegundos. "En lugar de utilizar cinco metros de guía de onda, logramoseste retraso dentro de 150 micras ", dice Munk.
El profesor Zadok resume: "La acústica es una dimensión faltante en los chips de silicio porque la acústica puede completar tareas específicas que son difíciles de hacer solo con electrónica y óptica. Por primera vez hemos agregado esta dimensión a la plataforma estándar de fotónica de silicio.El concepto combina la comunicación y el ancho de banda que ofrece la luz con el procesamiento selectivo de las ondas sonoras ".
Una aplicación potencial de tales dispositivos se encuentra en las redes celulares futuras, ampliamente conocidas como 5G. La electrónica digital por sí sola podría no ser suficiente para soportar los requisitos de procesamiento de señales en dichas redes. Los dispositivos de luz y sonido podrían ser útiles.
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Materiales proporcionados por Universidad de Bar-Ilan . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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