Geluid en licht vangen op een chip

Wetenschappers van de Universiteit Twente hebben een techniek ontwikkeld om geluidsgolven en licht effectief op te vangen met behulp van meerlaagse siliciumnitride golfgeleiders. Dit betekent dat het manipuleren van licht met geluid in grootschalige schakelingen haalbaar is en aansluitbaar is op de huidige productiemethoden.

Science Advances publiceerde het artikel.

Eén manier om optische signalen effectief te filteren, versterken en verwerken, is door gebruik te maken van een coherente optomechanische interactietechniek die gestimuleerde Brillouin-verstrooiing heet. Bij deze techniek genereren twee fijn afgestelde lasers een geluidsgolf met frequenties die 1 miljoen keer hoger zijn dan de menselijke gehoordrempel en sluiten deze op in een golfgeleider. Licht dat door de golfgeleider gaat, reageert met de geluidsgolf, die een zeer klein en specifiek deel van het lichtspectrum reflecteert. De geluidsgolf filtert daarmee het signaal.

“Hoewel veel onderzoekers Brillouin-verstrooiing de laatste jaren uitgebreid bestudeerden, lukte het niemand om het betrouwbaar te implementeren op een chip die geschikt is voor gebruik in ons dagelijks leven”, vertelt onderzoeksleider David Marpaung. “De geluidsgolf vangen in een golfgeleider die lang genoeg is om effectief te zijn, bleek erg moeilijk. Een groot probleem in de op silicium gebaseerde platforms is de ‘akoestische lekkage’. In deze traditionele platforms verhinderen die sterke Brillouin-interacties. Alternatieve materialen zijn vaak onstabiel, kwetsbaar of zelfs giftig.”

Doorbraak met meerlaagse siliciumnitride golfgeleider

Het team van de UT heeft nanofotonische circuits van siliciumnitride (Si₃N₄) met laag verlies gebruikt om zowel de optische als de akoestische golven op te sluiten. Deze schakelingen bestaan uit 50 cm lange spiraalvormige golfgeleiders. Deze opstelling vangt de geluidsgolf op en voorkomt de akoestische lekkage die optreedt bij gebruik van een enkele siliciumnitride kern.

Naast veelbelovende resultaten in hun experimentele opstelling, produceerden de onderzoekers een werkend proof-of-concept en andere praktische implementaties. Eerste auteur Roel Botter: “We ontwikkelden een RF-annulering notch filter, en de resultaten tonen veel potentie voor toekomstige soliciumnitride chips die gebruik maken van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing.”

Siliciumnitride fotonische chip

Marpaung voegt daaraan toe: “Ons onderzoek maakt integratie van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing in grote schakelingen mogelijk. In de toekomst integreren onderzoekers deze nieuwe chips met andere opkomende technologieën zoals afstembare lasers, frequentiekammen en programmeerbare fotonische schakelingen, waardoor ze mogelijk een rol gaan spelen in de toekomstige ontwikkeling van gebieden variërend van telecommunicatie tot kwantumcomputing.”

Samenwerking en financiering

Het op 7 oktober in het tijdschrift Science Advances gepubliceerde onderzoekspaper is het resultaat van een vier jaar durend onderzoek naar de haalbaarheid van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing in siliciumnitride fotonische schakelingen. Het onderzoek vond plaats aan het MESA+ instituut van de Universiteit Twente, in samenwerking met Dr. Yang Liu, wetenschapper aan het Laboratory of Photonics and Quantum Measurements van de EPFL in Zwitserland. De siliciumnitride chips zijn geproduceerd door LioniX International, een spin-off van de Universiteit Twente, en een onmisbare partner in het onderzoeksproces.
Het project is gefinancierd door de programma’s Vidi en Start Up van de Nederlandse Onderzoeksraad (NWO), die innovatieve onderzoeksprojecten met grote maatschappelijke en wetenschappelijke impact ondersteunt.