«Мини-землетрясения» превращают микросхемы в мощные источники радиосигнала

Фото из открытых источников

От спутников GPS до мобильных сетей — современные технологии опираются на сверхточные радиосигналы. Инженеры долгое время пытались генерировать их на микросхемах, используя взаимодействие света и звука, но эффект был слишком слабым. Исследователи из Университета Твенте в статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, показали, что тонкий слой стекла создает поверхностные акустические волны, вызывающие «мини-землетрясения», что делает эффект более чем в 200 раз сильнее. Это позволяет получать сверхчистые сигналы и фильтры с рекордно высокой резкостью на устройстве, в тысячи раз меньшем по размеру.

Каждый раз при совершении телефонного звонка сигнал фильтруется из перегруженного радиочастотного спектра с помощью радиочастотных фильтров. Эти компоненты пропускают только нужные вам частоты и блокируют все остальное. Чем четче фильтр, тем чище звонок. Тот же принцип применим в радарах, спутниковой навигации и будущих беспроводных сетях, таких как 6G.

Десятилетиями исследователи мечтали о создании таких фильтров с помощью света. Тогда они смогли бы объединить точность лазеров с гибкостью работы в любом диапазоне радиочастотного спектра, и всё это на чипе размером с ноготь. Нитрид кремния, уже широко используемый в оптических приложениях, казался идеальной основой. Но была одна загвоздка: для генерации наиболее четких сигналов свет и звук должны сильно взаимодействовать внутри материала чипа. В нитриде кремния это взаимодействие всегда было слабым. Предыдущие попытки исправить это требовали использования экзотических, нестабильных материалов или хрупких структур, слишком деликатных для эксплуатации вне лаборатории.

В сотрудничестве с Университетом Макмастера в Канаде команда из Твенте нашла решение в оксиде теллура — материале, уже используемом в коммерческих модуляторах, — нанесенном в виде тонкого покрытия на стандартный чип из нитрида кремния. Это покрытие генерирует особый тип звуковой волны, напоминающей крошечное землетрясение, которая распространяется по его поверхности и гораздо сильнее, чем все, что было достигнуто ранее в нитриде кремния, захватывает лазерный свет, делая взаимодействие более чем в 200 раз сильнее.

Эта особенность открывает три возможности, ранее недоступные для стандартного чипа на основе нитрида кремния. Во-первых, это работающий усилитель звука Бриллюэна: более ранние чипы на основе нитрида кремния ослабляли сигнал по мере его распространения, подобно тому, как если бы вы кричали в коридоре, который поглощает ваш голос. Этот чип, наоборот, усиливает его. Это первое подобное решение для данной платформы и критически важный недостающий элемент для практического применения.

Второй способ — это получение радиосигнала необычайной чистоты. Используя резонатор диаметром всего полмиллиметра, чип генерирует радиосигнал настолько стабильный, гибкий и точный, что он может соперничать с приборами, для работы которых раньше требовались детали размером с рулевое колесо. «Мы сделали это на чипе, который помещается на ногте», — говорит ведущий автор исследования Дэвид Марпаунг.

Третий тип фильтра настолько точен, что способен выделить отдельный радиоканал из спектра, содержащего тысячи таких каналов, и перемещать это окно в любом месте в пределах девятигигагерцового диапазона радиочастот. Насколько известно исследователям, ни один интегральный чип-фильтр еще не достиг такого разрешения. Это именно то, что необходимо будущим базовым станциям и радиолокационным системам.

Результат пришел не сразу. На то, чтобы статья была подана в Nature Photonics и принята к публикации, ушло более полутора лет, при этом рецензенты неоднократно требовали дополнительных доказательств. «Каждый раз, когда они просили новые доказательства, мы возвращались и находили что-то еще лучшее», — говорит соавтор исследования Иван Клавер. «В итоге, это пошло статье на пользу».

Исследователи ясно дают понять, что это шаг вперед. Поскольку покрытие из оксида теллура можно активировать только там, где это необходимо, оно органично вписывается в другие технологии, уже доступные на основе нитрида кремния: усилители, лазеры и датчики, не создавая между ними помех. «Эта платформа объединяет целую экосистему фотонных технологий», — говорит Марпаунг. «Наиболее интересными, пожалуй, являются те области применения, о которых мы еще не думали».