‘Hi-Fi’-geluid in siliciumchips Schaalbare manier om geluid te genereren en controleren in silicium fotonische chips

Onderzoekers van de Universiteit Twente losten een al lang bestaand probleem op: het opsluiten van optisch gegenereerde geluidsgolven in een standaard silicium fotonische chip. Deze ontdekking, gepubliceerd als een uitgelicht artikel in APL Photonics, opent nieuwe mogelijkheden voor radiotechnologie, kwantumcommunicatie en optische computing.

Licht reist extreem snel, terwijl geluidsgolven veel langzamer bewegen. Door de interactie tussen licht en geluid te manipuleren – een natuurkundig fenomeen dat bekend staat als gestimuleerde Brillouin-verstrooiing (SBS) – kunnen onderzoekers nieuwe manieren vinden om informatie op te slaan en te filteren in een compacte chip. Dit is handig in toepassingen zoals ultrasnelle radiocommunicatie en kwantumtechnologie. Maar het was een grote uitdaging om dit te doen in fotonische chips gemaakt van silicium, een van de belangrijkste geïntegreerde fotonicatechnologieën van dit moment.

Een nieuwe kijk op siliciumfotonica
Siliciumfotonica is in opkomst als een belangrijke oplossing voor de bandbreedte- en energieknelpunten waarmee de steeds groter wordende datacenterindustrie wordt geconfronteerd. Het introduceren van geluidsgolven in deze chips kan een nog grotere prestatieverbetering opleveren.

Traditionele fotonische siliciumstructuren, bekend als golfgeleiders, hebben moeite om geluidsgolven beperkt te houden. Geluid heeft de neiging te ontsnappen in de siliciumoxidelaag onder de siliciumstructuren. Daardoor neemt de efficiëntie af. Eerdere oplossingen bestonden bijvoorbeeld uit het ophogen van de siliciumstructuren. De golfgeleider staat hierbij op een soort dunne steunbalk, maar deze aanpak is moeilijk te maken en ook niet mechanisch stabiel.

Geluidsgolven opvangen
Om dit probleem op te lossen, koos het team onder leiding van David Marpaung voor een nieuwe aanpak: het vergroten van de grootte van de siliciumstructuren. De onderzoekers gebruikten golfgeleiders die honderd keer groter waren dan traditionele nanodraden van silicium. Ze vingen met succes de geluidsgolven op en behielden tegelijkertijd een compact chipontwerp.

“Deze golfgeleiders van VTT Finland zijn precies wat we nodig hadden om eindelijk geluid in siliciumchips op te vangen. Hun grootte maakt het verschil, waardoor we geluidsgolven kunnen beheersen op een manier die voorheen gewoon niet mogelijk was”, zegt Kaixuan Ye, de hoofdauteur van dit werk, die momenteel zijn promotieonderzoek doet in de groep van David.

Schaalbaarheid voor toepassingen in de echte wereld
Ondanks de grotere golfgeleidergrootte blijven de nieuwe silicium fotonische chips compact en praktisch. Hele circuits, inclusief meterslange golfgeleiders, passen in een chip van een vierkante centimeter. Dit maakt de technologie schaalbaar en compatibel met de bestaande halfgeleiderindustrie, waardoor de haalbaarheid voor grootschalige productie wordt gegarandeerd.

“Deze prestatie vergde bijna tien jaar onderzoek en samenwerking”, zei Marpaung. “Door samen te werken met VTT Finland en onze technieken te verfijnen, zijn we er uiteindelijk in geslaagd om dit effect aan te tonen in een standaard siliciumplatform.”

Toekomstige impact
Deze ontdekking brengt nieuwe functionaliteit in siliciumfotonica, die al veel wordt gebruikt in optische computers en communicatie. Het vermogen om geluidsgolven te geleiden met ultrahoge frequenties van bijna 40 GHz maakt deze techniek veelbelovend voor draadloze communicatie en kwantumtoepassingen van de volgende generatie.

Meer informatie
Het onderzoek is uitgevoerd in de onderzoeksgroep Nonlinear Nanophotonics (NLNP; Faculteit TNW en MESA+). De dikke siliciumchips werden vervaardigd door VTT Finland, een toonaangevende Europese fabrikant van siliciumfotonica. Dit werk werd ondersteund door de Consolidator Grant van de European Research Council (ERC) en het start-upprogramma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO).

Het artikel, getiteld ‘Stimulated Brillouin scattering in a non-suspended ultra-low-loss thick-SOI platform’, is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift APL Photonics. Eerste auteur Kaixuan Ye is promovendus in de groep Nonlinear Nanophotonics. Zijn promotor, prof. dr. David Marpaung, is de leerstoelhouder van deze onderzoeksgroep.