通过在硅芯片中结合声音和光波创建的新型信号处理

顶视图显微镜图象的表面声波光子器件的在绝缘体的硅。金条纹（右）的光栅用于驱动声波，然后在标准波导中影响光线。

在硅芯片中发光时越慢。

硅中的集成电路使我们的数字时代能够实现。电子电路的能力进一步扩展了光子学的引入：用于发电，指导和检测光的组件。一起，电子和光子学支持整个系统进行数据通信和处理，全部在芯片上。然而，有些事情是即使是电气和光学信号也不能简单地行驶，因为它们太快了。

根据Bar-Ilan University of Nanical of Engineerial of Engineeral of Nanichnology和AdminatiTe和先进材料学院Avi Zadok教授，有时会慢慢移动实际上更好。“重要的信号处理任务，例如频率信道的精确选择，要求数据延迟了数十纳秒的时间尺度。鉴于光速快，光波在这些时间帧内在多米范围内传播。人们不能容纳硅芯片中的这种路径长度。这是不现实的。在这场比赛中，快速不一定赢。“

事实上，问题是一个相当陈旧的问题。模拟电子电路一直面临着60年的信号处理中的类似挑战。以声学的形式发现优异的解决方案：感兴趣的信号从电域转换为声波的形式。当然，声音速度比光的速度慢100,000。声波获得了几十微米而不是米的必要延误。这种路径长度容易容纳片上。在传播之后，可以将延迟信号转换回电子器件。

在今天（2019年9月16日）发表的新工作中，在自然通信期刊，Zadok和同事将此原则带到硅光子电路上。

“将声波引入硅芯片有几个困难，”酒吧 - ilan大学博士生Dvir Munk说，他们参加了该研究。“用于硅光子的标准层结构被称为绝缘体上的硅。虽然这种结构非常有效地指示光线，但它不能限制和引导声波。相反，声波只是泄漏了。“由于这种困难，以前的作品，即在硅中结合光和声波的作品不涉及标准层结构。或者，需要额外的非标准材料的杂化整合。

“通过使用在硅芯片的上表面传播的声波可以克服第一挑战，”继续下来。“这些表面声波不会快速泄漏。但是，这里还有另一个问题：声波的产生通常依赖于压电晶体。当将电压施加到它们时，这些晶体膨胀。不幸的是，硅中不存在这种物理效果，我们更喜欢避免将额外的材料引入设备。“

测量窄射频滤波器的频率响应，在硅芯片中使用光和声波实现。蓝色的：实验结果。红色的：设计响应。

作为替代品，学生Munk，Moshe Katzman和同事依赖于金属的照明。“进入光线带有感兴趣的信号，”Katzman解释道。“它照射了芯片上的金属图案。金属膨胀和收缩，并将下面的硅表面突变。具有适当的设计，初始应变可以驱动表面声波。反过来，声波在同一芯片中穿过标准光波导。这些波导的光受表面波的影响。以这种方式，感兴趣的信号通过声学从一个光波转换为另一个光波。与此同时，大幅延迟累积在很短的范围内。“

该概念在标准硅中结合了光和声音，没有膜的膜或使用压电晶体的使用。达到最高可达8 GHz的声学频率，但概念可扩展到100 GHz。工作原理适用于任何基材，不仅是硅。还提供了应用程序：该概念用于输入射频信号的窄带滤波器。高精度过滤器利用40纳秒长延迟。“而不是使用五米的波导，我们在150微米内实现这一延误，”Munk说。

萨达托教授总结了：“声学是硅芯片中缺失的尺寸，因为声学可以完成难以单独使用电子和光学器件的特定任务。我们首次将此维度添加到标准硅光子平台上。该概念结合了光线提供的通信和带宽与声波的选择性处理。“

这种装置的一个潜在应用是在未来的蜂窝网络中，广泛称为5G。单独的数字电子器件可能不足以支持这些网络中的信号处理要求。光和声音设备可能会做诀窍。

参考：“表面声波光子器件在绝缘体上的绝缘体”，MUSHE KATZMAN，MIRIT HEN，Maayan Priel，Moshe Feldberg，Tali Sharabani，Shahar Levy，Arik Bergman和Avi Zadok，2019年9月16日，Nature Communications.doi：
10.1038 / s41467-019-12157-x

图片：D. Munk，M.Katzman，M. Hen，M. Priel，M.Feldberg，T.Sharabani，S. Levy，A. Bergman和A. Zadok