Een optische chip verbeterd door licht

Het onderzoek verscheen in het tijdschrift Nature Photonics.

"Bij gebruik van bijvoorbeeld een groene laserpointer is de laser zelf niet groen omdat deze bijzonder moeilijk te vervaardigen zijn. Dus veranderen we de frequentie van een bestaande laser. Hij zendt uit met een frequentie die de helft is van die van groen, dan verdubbelen we hem door gebruik te maken van niet-lineariteit in een kristal dat ons groen geeft.Onze studie bestaat uit het integreren van deze functionaliteit, maar op CMOS-chips.Hierdoor zullen we in staat zijn om efficiënt verschillende kleuren licht te genereren op een chip", aldus onderzoeksleider Camille Brès.

De gebruikte aanpak was nog nooit eerder geïmplementeerd. De huidige fotonische chips die compatibel zijn met CMOS-processen, gebruiken standaard fotonische materialen, zoals silicium, die geen niet-lineariteit van de tweede orde hebben en daarom niet inherent in staat zijn om licht op deze manier transformeren."Dit blijkt een barrière te zijn voor de vooruitgang van de technologie."

Engeneers hebben een techniek ontwikkeld om niet-lineariteit te induceren, die moet worden gebruikt om licht om te zetten waar dat normaal niet mogelijk is. Om deze conversie effectief te maken, gebruikten ze bovendien een resonator – een ringvormige structuur die de niet-lineaire processen die door licht worden ervaren, vergroot. Siliciumnitride-resonatoren, waarvan de technologie bij EPFL is ontwikkeld en die nu door Ligentec op de markt wordt gebracht, vertonen zeer lage verliezen, zodat het licht zeer lang in resonatoren circuleert. "Non-lineariteit komt voort uit de interactie tussen licht en materie. Deze uitwisseling moet lang duren wil het proces functioneel en efficiënt zijn. De chip is echter een klein object waarop we niet profiteren van lange afstanden", zegt mede-eerste auteur Edgars Nitiss. Het licht dat in de resonator wordt geïntroduceerd, wordt opgevangen en reist rond daar gedurende de tijd die nodig is om de niet-lineaire interactie te vergroten. 

Verschillende voortplantingssnelheden

Dankzij deze techniek wordt de efficiëntie van de chip aanzienlijk verbeterd. Er wordt echter ook een nieuwe beperking geïntroduceerd. "Het gebruik van een resonator beperkt ons in de beschikbare kleuren", zegt Brès. "Want de effectiviteit van een niet-lineair effect hangt ook af van de faseovereenkomst tussen de verschillende op elkaar inwerkende kleuren. Terwijl ze onvermijdelijk verschillende voortplantingssnelheden hebben, zoals auto’s op de snelweg."

"We willen dat de ene op de snelle rijstrook vertraagt ​​terwijl de andere versnelt, zodat ze naast elkaar rijden en kunnen communiceren", illustreert co-eerste auteur Jianqi Hu. Dit wordt alleen in zeer bijzondere gevallen bereikt in een resonator. De onderzoekers hebben daar een oplossing voor gevonden. In de resonator planten lichtgolven zich voort, waardoor een coherente interactie ontstaat die de eigenschappen van het materiaal verandert. "Een zelforganisatie van de structuur wordt bereikt op een volledig optische manier, die automatisch de fase-mismatch compenseert, ongeacht de ingangskleur. Zo omzeilen we een kritische beperking van resonatoren terwijl we toch profiteren van hun sterke efficiëntieverbetering", besluit Hu.