Oppervlakte-akoestische golven veranderen chips in krachtige radiofrequentiefilters

Onderzoekers proberen al jaren nauwkeurige radiosignalen op chips te maken via interacties tussen licht en geluid, maar het effect bleef te zwak. Bij de Universiteit Twente zijn ze er nu in geslaagd om door het aanbrengen van een dunne laag telluriumoxide op een standaard siliciumnitridechip oppervlakte-akoestische golven op te wekken, die de interactie tussen licht en geluid ruim 200 keer versterken.

Radiofrequentiefilters zijn essentieel voor het selecteren van het juiste signaal uit het overvolle radiospectrum. Onderzoekers werken er al decennia aan om zulke filters met licht te bouwen. Daarmee kun je de precisie van lasers combineren met de flexibiliteit om verschillende frequenties te verwerken in het volledige bereik van het radiospectrum. En dat alles 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 bleven.

In samenwerking met McMaster University in Canada vond het Twentse team de oplossing in telluriumoxide, een materiaal dat al wordt gebruikt in modulatoren. Ze brachten een dunne laag hiervan aan op een standaard siliciumnitridechip. Deze laag wekt een speciaal type geluidsgolven op, die zich langs het oppervlak van de chip voortbewegen. Het bleek dat daardoor het geluid meer dan 200 keer sterker aan het laserlicht werd gekoppeld dan voorheen.

Hoe kan licht geluid maken?

Het maken van geluid met licht werkt als volgt. Een bundel laserlicht gaat een golfgeleider binnen die in een chip is gegraveerd. Dit is een klein glazen kanaaltje, dat dunner is dan een mensenhaar. Het intense laserlicht knijpt het glas fysiek samen terwijl het beweegt. Die druk creëert een geluidsgolf in het materiaal. De geluidsgolf kaatst een deel van het licht terug in de tegenovergestelde richting; iets zwakker en met een iets andere golflengte. Dit weerkaatste licht versterkt de geluidsgolf die het zelf creëerde. Daardoor weerkaatst het meer licht en versterkt het het geluid opnieuw. Zo ontstaat door positieve terugkoppeling een zichzelf versterkende lus, waarbij het signaal steeds zuiverder en sterker wordt.

Zonder coating lekt de geluidsgolf echter weg uit het kanaaltje en blijft die positieve terugkoppeling zwak. Met coating wordt het geluid precies daar gevangen waar het licht het sterkst is. Daardoor wordt het effect meer dan 200 keer sterker.

Nieuwe toepassingen

Die sterkere interactie leidt tot resultaten die met siliciumnitridechips zonder het laagje telluriumoxide niet haalbaar waren. De eerste is een Brillouin-geluidsversterker die echt werkt. Waar bij siliciumnitridechips het signaal werd verzwakt terwijl het door de chip liep, wordt nu een versterking gemeten.

Bovendien werd nu een uitzonderlijk zuiver radiosignaal gevormd. Met een resonator van nog geen halve millimeter genereert de chip een signaal dat zo stabiel, flexibel en precies is dat de chip kan concurreren met veel grotere systemen.

Tenslotte is het filter zo scherp dat het één radiokanaal kan isoleren uit een spectrum met duizenden kanalen. Dat filter kan je bovendien over een bereik van 9 GHz verschuiven. Volgens de onderzoekers heeft geen enkel geïntegreerd chipfilter ooit zo’n resolutie bereikt. 

Nanophotonics

Het artikel ‘Surface acoustic wave Brillouin photonics on a silicon nitride chip‘ is gepubliceerd in Nature Photonics. Het onderzoek is het resultaat van een langdurige samenwerking tussen de Universiteit Twente en McMaster University in Canada. De samenwerking werd opgezet door Roel Botter, die in 2024 promoveerde aan de Universiteit Twente. Aan de Universiteit Twente werd het onderzoek geleid door prof. David Marpaung, met als eerste auteur Yvan Klaver en Riley te Morsche, die belangrijke bijdragen leverden. Zij maken deel uit van de onderzoeksgroep Nonlinear Nanophotonics (NLNP) van de Faculteit Technische Natuurwetenschappen en het  MESA+ Instituut.