‘Mini-aardbevingen’ veranderen kleine chips in krachtige radiofilters

Elke keer dat je belt, filteren radiofrequentiefilters het signaal uit een overvol radiospectrum. Deze componenten laten alleen de gewenste frequenties door en blokkeren de rest. Hoe scherper het filter, hoe helderder het gesprek. Hetzelfde principe geldt voor radar, satellietnavigatie en toekomstige draadloze netwerken zoals 6G.

Van lab naar praktijk

Onderzoekers dromen er al decennia van om zulke filters met licht te bouwen. Daarmee kun je de precisie van lasers combineren met de flexibiliteit om overal in het radiospectrum te werken, op een chip ter grootte van een vingernagel. Siliciumnitride, dat al op grote schaal wordt gemaakt voor optische toepassingen, leek daarvoor de perfecte basis, maar om de scherpste signalen te maken, moesten licht en geluid sterk met elkaar wisselwerken in het chipmateriaal. In siliciumnitride is die interactie altijd zwak geweest. Eerdere pogingen om dat te verbeteren vereisten exotische, instabiele materialen of fragiele structuren die buiten het lab niet overeind blijven.

In samenwerking met McMaster University in Canada vond het Twentse team de oplossing in telluriumoxide, een materiaal dat al wordt gebruikt in commerciële modulatoren. Ze brachten een dunne laag aan op een standaard siliciumnitridechip. Die laag wekt een speciaal type geluidsgolf op dat lijkt op een kleine aardbeving en langs het oppervlak van de chip beweegt. Daardoor koppelt het geluid veel sterker aan het laserlicht in de chip dan eerder mogelijk was in siliciumnitride. Daardoor versterkt de interactie meer dan 200 keer.

Veel nieuwe toepassingen

Die sterkere interactie maakt drie dingen mogelijk die hiervoor onbereikbaar waren op een standaard siliciumnitridechip. De eerste is een Brillouin-geluidsversterker die echt werkt. Eerdere siliciumnitridechips verzwakten een signaal terwijl het door de chip liep, alsof je door een gang roept die je stem opslokt. Deze chip versterkt het signaal juist. Het is een primeur voor dit platform en een belangrijk ontbrekend onderdeel voor praktische toepassingen.

De tweede is een uitzonderlijk zuiver radiosignaal. Met een resonator van nog geen halve millimeter genereert de chip een radiotoon die zo stabiel, flexibel en precies is dat hij kan concurreren met systemen die vroeger apparatuur ter grootte van een stuurwiel nodig hadden. “We deden het op een chip die op je vingernagel past”, zegt corresponderend auteur David Marpaung.

De derde is een filter dat zo scherp is dat het één radiokanaal kan isoleren uit een spectrum met duizenden kanalen en dat filter kan je over een bereik van negen gigahertz verschuiven. Voor zover de onderzoekers weten, heeft geen enkel geïntegreerd chipfilter ooit zo’n resolutie bereikt. Precies wat toekomstige basisstations en radarsystemen nodig hebben.

Nog maar het topje van de ijsberg

Het resultaat kwam niet snel. Het artikel deed er meer dan anderhalf jaar over om van indiening tot acceptatie in Nature Photonics te komen. Reviewers vroegen herhaaldelijk om extra bewijs.
“Elke keer dat ze meer bewijs wilden, gingen we terug en vonden we iets nog beters”, zegt eerste auteur Yvan Klaver. “Uiteindelijk is het artikel er alleen maar sterker door geworden.”

Volgens de onderzoekers is dit pas het begin. De telluriumoxide-laag kan alleen worden aangebracht waar dat nodig is en kan daardoor goed worden gecombineerd met andere technologieën die al op siliciumnitridechips bestaan, zoals versterkers, lasers en sensoren. “Dit platform verbindt een heel ecosysteem van fotonische technologieën”, zegt Marpaung. “De toepassingen waar we nog niet aan gedacht hebben, zijn waarschijnlijk de interessantste.”

Bron: Universiteit Twente