Os pesquisadores combinam ondas de luz e ultrassônicas para um melhor processamento de sinal
O crescimento contínuo do tráfego de dados sem fio e celular depende muito das ondas de luz. Fotônica de micro-ondas é o campo da tecnologia que se dedica à distribuição e processamento de sinais elétricos de informação usando meios ópticos. Em comparação com as soluções tradicionais baseadas apenas na eletrônica, os sistemas fotônicos de micro-ondas podem lidar com grandes quantidades de dados. Portanto, a fotônica de microondas tornou-se cada vez mais importante como parte das redes celulares 5G e além. Uma tarefa primária da fotônica de microondas é a realização de filtros de banda estreita: a seleção de dados específicos, em frequências específicas, de imensos volumes que são transportados pela luz.
Muitos sistemas fotônicos de micro-ondas 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 no chip antes que os atrasos necessários sejam acomodados. Os atrasos necessários podem chegar a mais de 100 nanossegundos. Esses atrasos podem parecem ser curtos considerando a experiência diária, no entanto, os caminhos ópticos que os suportam têm mais de dez metros de comprimento! Não é possível 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 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 projeto de filtros.
O estudante de doutorado da Bar-Ilan University Moshe Katzman 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 de superfície viajam a uma velocidade que é 100.000 mais lento. Podemos acomodar os atrasos de que precisamos como parte de nosso chip de silício, em menos de um milímetro, e com perdas muito razoáveis."
As ondas acústicas têm servido para o processamento de informações por sessenta anos, no entanto, sua integração no nível do chip com as ondas de luz tem se mostrado 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 usadas 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 velocidade acústica lenta, esses eventos são separados por longos atrasos. Seu somatório 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 para projetar a resposta dos filtros é tirar o máximo proveito da plataforma fotônica de microondas integrada."