UGent en Imec demonstreren interactie tussen licht en geluid in nanodraad

De voorbije jaren is de aandacht voor silicium fotonica sterk toegenomen, onder meer met het oog op lab-on-a-chip biosensoren en supersnelle communicatie tussen computerchips. De technologie is gebaseerd op silicium nanodraden, structuurtjes die ongeveer honderd keer dunner dan een menselijk haar zijn. De draden brengen optische signalen van één punt naar een ander – op lichtsnelheid. Doordat ze met dezelfde machines zijn te vervaardigen als standaard elektronische circuits, kunnen ze in grote hoeveelheden en goedkoop worden geproduceerd.

Deze draadjes werken enkel omdat het licht trager beweegt in de silicium kern van de draad dan in de lucht en het glas die de kern omgeven. Het licht zit dus gevangen in de draad door een fenomeen dat totale interne reflectie heet. Het licht geleiden in de draad is één zaak, maar het ook nog manipuleren is een ander verhaal. Het is niet eenvoudig om met één lichtstraal de eigenschappen van een andere lichtstraal te veranderen. Dit is waar de interactie tussen licht en materie een rol speelt: het is mogelijk om met behulp van sommige fotonen andere fotonen te besturen.

De onderzoekers van UGent en Imec hebben deze interactie tussen licht en materie nu gerealiseerd. Ze zijn er in geslaagd om niet alleen licht, maar ook geluid op te sluiten in de nanodraden. Het geluid trilt een miljoen keer sneller dan het menselijk gehoor kan waarnemen. In tegenstelling tot licht beweegt geluid net sneller in de silicium kern dan in de omringende materialen: totale interne reflectie werkt niet voor geluid in de nanodraden. Door omgeving van de kern zo aan te passen dat elke trilling teruggekaatst wordt, slaagden de onderzoekers er toch in geluid op te sluiten in de kern.

Gevangen in die ongelofelijk kleine structuur, gaan licht en geluid elkaar sterk beïnvloeden: licht genereert geluid en geluid verandert de kleur van licht. Die interactie hebben de onderzoekers gebruikt om bepaalde kleuren van het licht te versterken. Hiermee ontstaan nieuwe manieren om optische informatie te verwerken. Zo zouden bijvoorbeeld lichtpulsen omgezet kunnen worden in geluidspulsen en dan weer in licht, wat zeer interessant is voor optische-communicatiedoeleinden. De onderzoekers verwachten dat gelijksoortige technieken kunnen worden toegepast op nog kleinere structuren, zoals virussen en DNA. De akoestische eigenschappen van deze deeltjes zouden iets kunnen vertellen over hun globale structuur.

R. Van Laer, B. Kuyken, D. Van Thourhout and R. Baets, "Interaction between light and highly confined hypersound in a silicon photonic nanowire", Nature Photonics (2015) http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2015.11

Photonics Research Group/UGent

De Photonics Research Group van de UGent heeft een wetenschappelijke staf van ongeveer 70 wetenschappers, en is actief op het gebied van fotonische integratie op silicium IC-platforms en op de toepassing ervan in de informatie- en communicatietechnologie, in sensoren en in de life sciences. De groep richt zich op nieuwe concepten voor fotonische geïntegreerde schakelingen, op de onderliggende technologieën en de bijbehorende ontwerpmethodologieën.

Dit omvat zowel passieve als actieve golfgeleider-gebaseerde componenten, gebaseerd op CMOS-compatibele materialen en processen, en op hybride benaderingen, die silicium combineren met andere functionele materialen. De activiteiten concentreren zich rond de telecom golflengte van 1.55 micrometer maar worden uitgebreid naar zowel langere golflengtes (mid-IR) als kortere golflengte (zichtbaar). De infrastructuur van de groep omvat cleanroom faciliteiten voor fabricatie in huis van componenten, en een varieteit aan CAD-tools en meetlabo’s. De groep is geassocieerd met het nano-elektronica onderzoekscentrum imec in Leuven en gebruikt de CMOS-georienteerde onderzoeksfaciliteiten van imec voor onderzoek op siliciumfotonica.