Les capacités des circuits électroniques ont été étendues avec l'introduction de la photonique :composants pour la génération, guidage et détection de la lumière. Ensemble, l'électronique et la photonique prennent en charge des systèmes complets de communication et de traitement des données, le tout sur une puce. Cependant, il y a certaines choses que même les signaux électriques et optiques ne peuvent pas faire simplement parce qu'ils se déplacent trop vite.

Parfois, bouger lentement est en fait mieux, selon le professeur Avi Zadok de la Faculté d'ingénierie et de l'Institut de nanotechnologie et de matériaux avancés de l'Université Bar-Ilan. « Tâches importantes de traitement du signal, comme la sélection précise des canaux de fréquence, exigent que les données soient retardées sur des échelles de temps de plusieurs dizaines de nanosecondes. Compte tenu de la grande vitesse de la lumière, les ondes optiques se propagent sur plusieurs mètres dans ces délais. On ne peut pas accepter de telles longueurs de trajet dans une puce de silicium. C'est irréaliste. Dans cette course, rapide ne gagne pas nécessairement."

Le problème, En réalité, est un assez ancien. Les circuits électroniques analogiques sont confrontés à des défis similaires dans le traitement du signal depuis 60 ans. Une excellente solution a été trouvée sous forme d'acoustique :un signal d'intérêt est converti du domaine électrique à la forme d'une onde acoustique. La vitesse du son est, bien sûr, plus lent que celui de la lumière d'un facteur 100, 000. Les ondes acoustiques acquièrent les retards nécessaires sur des dizaines de micromètres au lieu de mètres. De telles longueurs de trajet sont facilement adaptées sur puce. Après propagation, le signal retardé peut être reconverti en électronique.

Dans un nouvel ouvrage publié aujourd'hui dans la revue Communication Nature , Zadok et ses collaborateurs reportent ce principe sur les circuits photoniques au silicium.

« Il y a plusieurs difficultés à introduire des ondes acoustiques dans les puces de silicium, " dit le doctorant Dvir Munk, de l'Université Bar-Ilan, qui a participé à l'étude. "La structure de couche standard utilisée pour la photonique au silicium est appelée silicium sur isolant. Bien que cette structure guide la lumière très efficacement, il ne peut pas confiner et guider les ondes sonores. Au lieu, les ondes acoustiques s'échappent." En raison de cette difficulté, les travaux antérieurs qui combinent les ondes lumineuses et sonores dans le silicium n'impliquent pas la structure de couche standard. Alternativement, intégration hybride de compléments, des matériaux non standard étaient nécessaires.

"Ce premier défi peut être surmonté en utilisant des ondes acoustiques qui se propagent à la surface supérieure de la puce de silicium, " poursuit Munk. " Ces ondes acoustiques de surface ne s'écoulent pas aussi rapidement. Ici, cependant, il y a un autre problème :la génération d'ondes acoustiques repose généralement sur des cristaux piézo-électriques. Ces cristaux se dilatent lorsqu'une tension leur est appliquée. Malheureusement, cet effet physique n'existe pas dans le silicium, et nous préférons de loin éviter d'introduire des matériaux supplémentaires dans l'appareil."

Comme alternative, étudiants Munk, Moshe Katzman et ses collègues se sont appuyés sur l'éclairage des métaux. "La lumière entrante porte le signal d'intérêt, " explique Katzman. " Il irradie un motif métallique sur la puce. Les métaux se dilatent et se contractent, et tendez la surface de silicium ci-dessous. Avec une conception appropriée, cette contrainte initiale peut entraîner des ondes acoustiques de surface. À son tour, les ondes acoustiques traversent des guides d'ondes optiques standard dans la même puce. La lumière dans ces guides d'ondes est affectée par les ondes de surface. De cette façon, le signal d'intérêt est converti d'une onde optique à une autre via l'acoustique. En attendant, un retard important s'accumule à très courte portée."

Le concept combine lumière et son dans du silicium standard sans suspension de membranes ni utilisation de cristaux piézo-électriques. Des fréquences acoustiques jusqu'à 8 GHz sont atteintes, cependant, le concept est évolutif jusqu'à 100 GHz. Le principe de fonctionnement est applicable à n'importe quel substrat, pas seulement du silicium. Des applications sont également présentées :le concept est utilisé dans des filtres à bande étroite de signaux radiofréquence d'entrée. Les filtres hautement sélectifs utilisent des retards de 40 nanosecondes. "Plutôt que d'utiliser cinq mètres de guide d'ondes, nous atteignons ce délai dans les 150 microns, " dit Munk.

Le professeur Zadok résume :« L'acoustique est une dimension manquante dans les puces de silicium car l'acoustique peut accomplir des tâches spécifiques qui sont difficiles à faire avec l'électronique et l'optique seules. Pour la première fois, nous avons ajouté cette dimension à la plate-forme photonique sur silicium standard. Le concept combine la communication et la bande passante offertes par la lumière avec le traitement sélectif des ondes sonores."

Une application potentielle de tels dispositifs est dans les futurs réseaux cellulaires, largement connu sous le nom de 5G. L'électronique numérique à elle seule pourrait ne pas être suffisante pour répondre aux exigences de traitement du signal dans de tels réseaux. Des appareils lumineux et sonores pourraient faire l'affaire.