“Mini-aardbevingen” op chips zorgen voor extreem zuivere radiosignalen

Een schematische weergave van de fotonische chip.

Die sterke koppeling maakt het mogelijk om op chips extreem zuivere radiosignalen en zeer scherpe filters te creëren. Zulke filters zijn essentieel: elke keer dat je belt, selecteren ze het juiste signaal uit een druk radiospectrum. Hoe nauwkeuriger dat gebeurt, hoe beter de verbinding. Dit principe speelt ook een sleutelrol in radar, satellietnavigatie en toekomstige draadloze technologieën zoals 6G.

Van idee naar toepassing
Al decennialang proberen wetenschappers filters op basis van licht te ontwikkelen. Het idee is aantrekkelijk: je combineert de precisie van lasers met de flexibiliteit om verschillende radiofrequenties te verwerken, allemaal op een chip ter grootte van een vingernagel. Siliciumnitride leek hiervoor een ideaal materiaal, omdat het al veel wordt gebruikt in optische technologie. Toch was er een probleem: de interactie tussen licht en geluid in dit materiaal bleef te zwak.

Eerdere oplossingen maakten gebruik van exotische of instabiele materialen, of van kwetsbare structuren die alleen in laboratoria werkten. In samenwerking met McMaster University vonden de Twentse onderzoekers een praktischer alternatief: een dunne laag telluriumoxide, een materiaal dat al in commerciële toepassingen wordt gebruikt. Deze laag genereert geluidsgolven die zich langs het oppervlak van de chip voortbewegen en veel sterker met licht koppelen dan voorheen mogelijk was.

Drie belangrijke doorbraken
De sterkere interactie opent de deur naar drie toepassingen die eerder buiten bereik lagen. Ten eerste ontwikkelden de onderzoekers een werkende Brillouin-versterker op een siliciumnitridechip. Waar eerdere chips signalen juist verzwakten, versterkt deze ze — een cruciale stap richting praktische toepassingen.

Daarnaast kan de chip een uitzonderlijk stabiel en precies radiosignaal genereren. Met een resonator kleiner dan een halve millimeter bereikt hij prestaties die voorheen alleen mogelijk waren met veel grotere apparatuur.

Tot slot ontwikkelden de onderzoekers een extreem scherp filter. Dit kan één specifiek radiokanaal isoleren uit duizenden en is bovendien afstembaar over een bereik van negen gigahertz. Volgens de onderzoekers is een dergelijke resolutie nog niet eerder gehaald met geïntegreerde chipfilters.

Nog maar het begin
De weg naar deze doorbraak was lang: het duurde meer dan anderhalf jaar voordat het artikel werd geaccepteerd, mede doordat reviewers steeds om extra bewijs vroegen. Volgens de onderzoekers heeft dat het eindresultaat alleen maar sterker gemaakt.

Ze zien hun werk dan ook als een eerste stap. De nieuwe laag kan selectief op chips worden aangebracht en gecombineerd worden met bestaande fotonische technologieën, zoals lasers en sensoren. Daarmee ontstaat een platform dat verschillende technologieën samenbrengt — en mogelijk toepassingen oplevert die nu nog niet eens te voorzien zijn.