Свет и звук в кремниевые чипы: чем медленнее тем лучше

Интегральные схемы в кремнии позволяет нашей цифровой эпохи. Возможности электронные схемы были расширены еще дальше с введением фотоники: элементы для генерации, направления и обнаружения света. Вместе, электроники и фотоники поддерживать все системы для передачи данных и обработка, все на чипе. Тем не менее, есть определенные вещи, которые даже электрические и оптические сигналы не могу сделать просто потому, что они двигаются слишком быстро.

Иногда медленно движется на самом деле лучше, по словам профессора Ави садок из Бар-Иланского университета факультет машиностроения и Института нанотехнологий и современных материалов. «Важным сигналом для обработки задач, таких как точное выделение частотных каналов, требуют, чтобы данные с задержкой по времени масштабах от десятков нано-секунд. Учитывая быструю скорость света, оптические волны распространяются в течение многих метров в пределах этих сроков. Никто не может вместить такой длины путь в кремниевый чип. Это нереально. В этой гонке, быстро не обязательно побеждать.»

Проблема, на самом деле, довольно старый. Аналоговых электронных схем сталкиваются со схожими проблемами при обработке сигнала в течение шестидесяти лет. Отличное решение было найдено в виде акустики: сигнала преобразуется из электрического домена в форме звуковой волны. Скорость звука, конечно, медленнее, чем свет на 100,000. Акустические волны приобретать необходимые задержки на протяжении десятков микро-метры вместо метров. Такой длины путь легко размещаются на кристалле. После распространения, задержанный сигнал может быть преобразован обратно в электроника.

В новой работе, опубликованной сегодня (16 сентября 2019,) в журнале Nature, Садок и коллег перенести этот принцип на кремний-фотонных цепей.

«Существуют некоторые трудности с внедрением акустических волн в кремниевые чипы», — говорит докторант двор манка, из Бар-Иланского университета, которые участвовали в исследовании. «Стандартная структура слоя, которая используется для кремниевой фотоники называется «кремний на изоляторе». При этом структура руководства очень эффективно осветить, это не может ограничивать и направлять звуковые волны. Вместо акустических волн просто угасать.» Из-за этой трудности, предыдущие работы, которые сочетают в себе световые и звуковые волны в кремнии не включать стандартную структуру слоя. Кроме того, гибридная интеграция дополнительных, нестандартных материалов было необходимо.

«Что первую проблему можно преодолеть с помощью акустических волн, которые распространяются на верхней поверхности чипа», — продолжает манка. «Эти поверхностные акустические волны не текут вниз, как быстро. Здесь, однако, существует еще одна проблема: генерация акустических волн обычно используются пьезоэлектрические кристаллы. Эти кристаллы расширить, когда напряжение прикладывается к ним. К сожалению, этот физический эффект не существует в кремнии, и мы предпочитаем, чтобы избежать введения дополнительных материалов к устройству.»

В качестве альтернативы, студенты манка, Мойша Кацман и его коллеги опирались на освещение металлов. «Входящий свет несет сигнала», — поясняет Кацман. «Он излучает металлический узор на чип. Металлы расширяются и сжимаются, и деформации поверхности кремния ниже. При правильном проектировании, что первоначальный штамм может управлять поверхностных акустических волнах. В свою очередь, акустические волны проходят через стандартные оптические волноводы в одном чипе. Свет в этих волноводах зависит от поверхностных волн. Таким образом, интересующий сигнал преобразуется из одной оптической волны к другой через акустику. В то же время, значительная задержка накапливается в течение очень короткого досягаемости».

Концепция сочетает в себе свет и звук в стандарте кремния без подвеса мембраны или применения пьезо-электрических кристаллов. Акустических частот до 8 ГГц достигаются, однако концепция является масштабируемой до 100 ГГц. Принцип применим к любой почве, не только кремний. Приложениях представлены: концепция используется в узкополосных фильтров входных радиочастотных сигналов. Высоко селективные фильтры используют 40 нано-секунды задержки. «Вместо того, чтобы использовать пять метров волновода, мы достигаем эту задержку в 150 микрон», — говорит Мунк.

Профессор Садок резюмирует: «акустика-это недостающее измерение в кремниевые чипы, потому что акустика может выполнить определенные задачи, которые трудно сделать в одиночку электроники и оптики. Впервые мы добавили этот размер на стандартную платформу кремниевой фотоники. Концепция сочетает в себе общение и пропускной способности, которые предоставляет свет с селективной обработки звуковых волн».

Одно потенциальное применение таких устройств в будущем сотовые сети, широко известный как 5г. Одна цифровая электроника может быть недостаточно для обеспечения требований к обработке сигналов в таких сетях. Световые и звуковые устройства может сделать трюк.