Veel technologieën variërend van GPS, mobiele netwerken, satellietnavigatie en radar maken gebruik van radiosignalen. Het radiospectrum is echter overvol, wat het efficiënt en betrouwbaar filteren van radiosignalen uit het radiospectrum cruciaal maakt. Een nieuwe techniek maakt radiosignalen niet alleen zeer zuiver, maar zorgt ook dat deze zeer nauwkeurig onderscheiden kunnen worden van andere signalen.
De techniek is ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit Twente, die in Nature Photonics hun bevindingen delen. Al jaren proberen onderzoekers radiosignalen op chips te maken via interacties tussen licht en geluid. Al langer is bekend dat dit mogelijk is, maar het signaal is in de praktijk tot nu toe te zwak geweest.
Onderzoek van de Universiteit Twente in samenwerking met McMaster University in Canada toont nu echter aan dat een dunne glaslaag oppervlakte-akoestische golven kan opwekken, die de onderzoekers vergelijken met ‘mini-aardbevingen’. Deze golven maken de interactie tussen licht en geluid maar liefst 200 keer sterker.
Alleen gewenste frequenties doorlaten
De ontdekking is belangrijk, want het radiospectrum is overvol. We filteren daarom met behulp van radiofrequentiefilters radiosignalen uit dit spectrum. Deze filters laten alleen de gewenste frequenties door en blokkeren overige frequenties.
Tijdens een telefoongesprek zorgen radiofrequentiefilters bijvoorbeeld ervoor dat het gesprek helder klinkt. De filters worden ook ingezet voor diverse andere technologieën, variërend van radar en satellietnetwerken tot 6G.
Van siliciumnitride naar telluriumoxide
Eerdere filters maakten gebruik van siliciumnitride, dat al op grote schaal wordt gemaakt voor optische toepassingen. Om de scherpste signalen te maken moesten licht en geluid echter sterk met elkaar interageren in het chipmateriaal. In siliciumnitride is die interactie altijd zwak geweest. Eerdere pogingen om dat te verbeteren maakten gebruik van exotische, instabiele materialen of fragiele structuren die buiten het lab niet overeind blijven.
De nieuwe techniek maakt gebruik van een ander materiaal: telluriumoxide. Dit materiaal wordt al langer gebruikt in commerciële modulatoren. De onderzoekers brachten een dunne laag aan op een standaard siliciumnitridechip. Deze laag wekt een speciaal type geluidsgolf op, dat volgens de onderzoekers lijkt op een kleine aardbeving en langs het oppervlak van de chip beweegt. Het geluid koppelt daardoor veel sterker aan het laserlicht in de chip dan tot nu toe mogelijk was. De interactie tussen licht en geluid werd hierdoor meer dan 200 keer versterkt.
Diverse voordelen
Deze sterkere interactie biedt verschillende voordelen. Zo levert dit een Brillouin-geluidsversterker op die daadwerkelijk functioneert. Eerdere chips verzwakten signalen terwijl ze door de chip liepen, terwijl de nieuwe chip signalen juist versterkt. De onderzoekers spreken van ‘een belangrijk ontbrekend onderdeel voor praktische toepassingen’.
Daarnaast levert de sterkere interactie zeer zuivere radiosignalen op. Met een resonator van minder dan een halve millimeter genereert de chip een radiotoon die zo stabiel, flexibel en nauwkeurig is dat hij volgens de onderzoekers kan concurreren met systemen die vroeger apparatuur ter grootte van een stuurwiel nodig hadden. Het nieuwe filter kan één radiokanaal isoleren uit een spectrum met duizenden kanalen. Daarbij kan het filter over een bereik van negen gigahertz worden verschoven.
De onderzoekers wijzen erop dat het mogelijk is de telluriumoxide-laag alleen aan te brengen waar dat nodig is, waardoor het goed kan worden gecombineerd met andere technologieën die al op siliciumnitridechips bestaan. Denk daarbij aan versterkers, lasers en sensoren.
De publicatie in Nature Photonics is hier te vinden.
