As capacidades dos circuitos eletrônicos foram estendidas com a introdução da fotônica:componentes para a geração, orientação e detecção de luz. Juntos, eletrônica e fotônica suportam sistemas inteiros para comunicação e processamento de dados, tudo em um chip. Contudo, há certas coisas que mesmo os sinais elétricos e ópticos não podem fazer simplesmente porque se movem muito rápido.

As vezes, mover-se devagar é realmente melhor, de acordo com o Prof. Avi Zadok da Faculdade de Engenharia e Instituto de Nanotecnologia e Materiais Avançados da Universidade Bar-Ilan. "Tarefas importantes de processamento de sinal, como a seleção precisa de canais de frequência, exigem que os dados sejam atrasados ​​em escalas de tempo de dezenas de nanossegundos. Dada a alta velocidade da luz, ondas ópticas se propagam por muitos metros dentro desses intervalos de tempo. Não se pode acomodar esses comprimentos de caminho em um chip de silício. Não é realista. Nesta corrida, rápido não necessariamente vence. "

O problema, na verdade, é bastante antigo. Os circuitos eletrônicos analógicos enfrentaram desafios semelhantes no processamento de sinais por 60 anos. Uma excelente solução foi encontrada na forma de acústica:um sinal de interesse é convertido do domínio elétrico para a forma de uma onda acústica. A velocidade do som é, claro, mais lento do que o da luz por um fator de 100, 000. As ondas acústicas adquirem os atrasos necessários ao longo de dezenas de micrômetros em vez de metros. Esses comprimentos de caminho são facilmente acomodados no chip. Após a propagação, o sinal atrasado pode ser convertido de volta para a eletrônica.

Em um novo trabalho publicado hoje na revista Nature Communications , Zadok e seus colegas transportam esse princípio para os circuitos fotônicos de silício.

"Existem várias dificuldades com a introdução de ondas acústicas em chips de silício, "diz o estudante de doutorado Dvir Munk, da Universidade Bar-Ilan, que participaram do estudo. "A estrutura de camada padrão usada para fotônica de silício é chamada de silício no isolador. Embora essa estrutura guie a luz de forma muito eficaz, não pode confinar e guiar as ondas sonoras. Em vez de, ondas acústicas simplesmente vazam. "Devido a essa dificuldade, trabalhos anteriores que combinam ondas de luz e som em silício não envolvem a estrutura de camadas padrão. Alternativamente, integração híbrida de adicional, materiais não padronizados eram necessários.

"Esse primeiro desafio pode ser superado usando ondas acústicas que se propagam na superfície superior do chip de silício, "continua Munk." Essas ondas acústicas de superfície não vazam tão rapidamente. Aqui, Contudo, há outro problema:a geração de ondas acústicas geralmente depende de cristais piezoelétricos. Esses cristais se expandem quando uma voltagem é aplicada a eles. Infelizmente, este efeito físico não existe no silício, e preferimos evitar a introdução de materiais adicionais no dispositivo. "

Como uma alternativa, alunos Munk, Moshe Katzman e seus colegas de trabalho confiavam na iluminação de metais. "A luz que entra carrega o sinal de interesse, "explica Katzman." Ele irradia um padrão de metal no chip. Os metais se expandem e contraem, e esticar a superfície de silicone abaixo. Com design adequado, essa tensão inicial pode gerar ondas acústicas de superfície. Por sua vez, as ondas acústicas passam por guias de ondas ópticas padrão no mesmo chip. A luz nesses guias de ondas é afetada pelas ondas de superfície. Desta maneira, o sinal de interesse é convertido de uma onda óptica para outra por meio da acústica. Enquanto isso, atraso significativo é acumulado em um alcance muito curto. "

O conceito combina luz e som em silício padrão sem suspensão de membranas ou uso de cristais piezoelétricos. Frequências acústicas de até 8 GHz são alcançadas, no entanto, o conceito é escalonável para 100 GHz. O princípio de funcionamento é aplicável a qualquer substrato, não apenas silício. As aplicações também são apresentadas:o conceito é usado em filtros de banda estreita de sinais de entrada de radiofrequência. Os filtros altamente seletivos usam atrasos de 40 nanossegundos. "Em vez de usar cinco metros de guia de ondas, alcançamos esse atraso em 150 mícrons, "diz Munk.

O Prof. Zadok resume:"A acústica é uma dimensão que falta nos chips de silício porque a acústica pode realizar tarefas específicas que são difíceis de fazer apenas com a eletrônica e a óptica. Pela primeira vez, adicionamos esta dimensão à plataforma fotônica de silício padrão. O conceito combina a comunicação e a largura de banda oferecidas pela luz com o processamento seletivo das ondas sonoras. "

Uma aplicação potencial de tais dispositivos é em futuras redes celulares, amplamente conhecido como 5G. A eletrônica digital por si só pode não ser suficiente para suportar os requisitos de processamento de sinal em tais redes. Dispositivos de luz e som podem fazer o truque.