Onderzoekers zijn erin geslaagd om in fotonische chips zichtbaar licht om te zetten in UV-licht dat sterk genoeg is voor echte toepassingen. Daarmee komen quantumcomputers en sensoren op basis van dit soort chips een stap dichterbij.

Fotonische chips zijn chips die licht gebruiken om signalen door te geven, in plaats van elektriciteit. Dat heeft allerlei voordelen, waaronder een hoge snelheid, een laag energieverbruik, en het feit dat licht verschillende golflengten heeft, waardoor er meerdere signalen tegelijkertijd mee te versturen zijn.

Voor sommige toepassingen zijn lange golflengten handig, bijvoorbeeld voor het verzenden van data door glasvezel. Voor andere toepassingen zijn kortere golflengten juist cruciaal, bijvoorbeeld voor gas-sensoren, microscopen of quantumcomputers.

Tot nu toe lukte het echter niet goed om licht met hele korte golflengten, zoals UV-licht, in fotonische chips te maken. Het is vaak niet sterk genoeg, of van onvoldoende kwaliteit.

Honderd keer krachtiger

Onderzoekers van de Universiteit Twente en de Amerikaanse Harvard University zijn er nu toch in geslaagd. Zij ontwikkelden een nieuwe methode om in een fotonische chip zichtbaar licht om te zetten in ultraviolet (UV) licht, dat honderd keer krachtiger is dan eerder mogelijk was. Ze publiceerden deze methode vorige week in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications.

Het licht bereikt een sterkte van enkele milliwatts, en is daarmee voor het eerst geschikt voor daadwerkelijke toepassingen. Het is een belangrijke stap naar toepassingen in quantumtechnologie, optische klokken en geavanceerde meetapparatuur, schrijft de Universiteit Twente in een nieuwsbericht.

Methode

De methode die de onderzoekers gebruikten, staat bekend onder de naam ‘frequency upconversion’ of frequentieverdubbeling. Hiermee kan rood licht, dat een lange golflengte en lage frequentie heeft, worden omgezet in UV licht, dat juist een korte golflengte en hoge frequentie heeft. Om dit voor elkaar te krijgen, moet het licht door een ‘golfgeleider’ heen worden geloodst: een minuscuul spoor op de chip dat het licht geleidt en vasthoudt.

Daar wordt de lichtgolf gemanipuleerd door de golfgeleider schoksgewijs aan te passen. Dat is een nogal precies werkje: alles gebeurt op nanometerschaal. De vorm van de golfgeleider moet bijvoorbeeld tot op enkele tientallen atoomdoorsneden nauwkeurig zijn.

'Er bestaan ook wel andere methoden om UV-licht van een paar milliwatt te maken, bijvoorbeeld met LEDS of laserdiodes', zegt onderzoeker Kees Franken die het onderzoek als poromovendus grotendeels uitvoerde, 'maar met frequentieverdubbeling haal je een hogere kwaliteit en kun je veel makkelijker van golflengte wisselen.' 

Nieuw materiaal

Dat het eerder niet lukte tijdens de frequency upconversion voldoende lichtsterkte te behouden en nu wel, is te danken aan een nieuw materiaal, dat in chip-vorm aan de Harvard University is ontwikkeld: thin-film lithiumniobaat.

Met speciale elektrodes langs de zijkant van de golfgeleider draaiden de onderzoekers de structuur van dat materiaal steeds héél even een héél klein beetje van richting – namelijk ongeveer een duizendste van een millimeter – om de frequentie van het licht te veranderen zonder teveel van de sterkte te verliezen. Dat is dus gelukt.

Spin-off

Om te stimuleren dat deze resultaten hun weg vinden naar echte toepassingen, is de spin-off Sabratha opgericht. Die richt zich op thin-film-lithium-niobaattechnologie en het opschalen van deze fotonische chips voor telecom en draadloze communicatie.

Daarnaast werken Universiteit Twente,  TU Eindhoven en andere partners samen aan een industriële pilotlijn voor fotonische chips.

Openingsbeeld: Universiteit Twente