Licht concentreren op golflengte-schaal

Licht concentreren op een schaal zo klein als de golflengte zelf is een grote uitdaging voor veel technologieën. Onderzoekers van Amolf, TU Delft en Cornell University hebben een nieuwe manier gevonden om licht op een extreem kleine schaal te focussen. Deze methode maakt gebruik van een fotonisch kristal en werkt voor een breder scala aan golflengtes dan andere technieken.

De resultaten zijn gepubliceerd in Science Advances.

Licht focussen is essentieel voor toepassingen op fotonische chips, zoals in kwantumcommunicatie, optische sensoren en lasers. “Tot nu toe hadden we twee manieren om licht te concentreren: via optische caviteiten of golfgeleiders die het licht als een trechter samenpersen,” zegt Ewold Verhagen, groepsleider bij Amolf. “De eerste techniek werkt alleen voor een specifieke golflengte van licht, en de tweede heeft een veel groter apparaat nodig dan de golflengte zelf.”

Een idee van onderzoekers bij Cornell University leidde tot de ontdekking die nu voor het eerst is gedemonstreerd. Het draait om de topologie van het systeem. Daniel Muis, een van de onderzoekers, legt uit: “We gebruiken fotonische kristallen, die siliciumplaten zijn met een patroon van zeer kleine gaatjes. Deze gaatjes blokkeren normaal het licht, maar wanneer we twee van deze kristallen naast elkaar plaatsen, ontstaat er een golfgeleider langs de rand. Het licht kan dan alleen langs die rand bewegen. Wat dit speciaal maakt, is dat het lichtverkeer beschermd is tegen verstoringen, zoals reflecties, door de topologische eigenschappen van het ontwerp.”

De onderzoekers vroegen zich af wat er zou gebeuren als ze zo’n golfgeleider abrupt zouden stoppen, met een ‘muur’ van materiaal waar het licht niet doorheen kan. Muis: “Omdat het licht nergens heen kan en reflecties onderdrukt worden, hoopt het zich op voor die muur. Uiteindelijk komt het licht weer terug, maar met vertraging. Dit zorgt voor een versterking van het licht op een heel klein gebied.”

Om dit te testen, werkten de onderzoekers samen met TU Delft. Ze gebruikten een microscoop die licht kan scannen op nanoschaal. “We zagen inderdaad een duidelijke versterking van het licht aan het einde van de golfgeleider. Dit gebeurde alleen als de muur onder een bepaalde hoek werd geplaatst, precies zoals we hadden voorspeld,” zegt Muis. “Dit bewijst dat de versterking te maken heeft met de topologische bescherming van reflecties. Het licht wordt geconcentreerd in een extreem klein gebied, zo klein als de golflengte van het licht zelf. Een groot voordeel van deze methode is dat het breedbandig werkt, dus voor meerdere golflengtes tegelijk.”

Deze ontdekking opent de deur naar nieuwe toepassingen voor lichtversterking op chips. De techniek kan ook toegepast worden op andere soorten golven in gestructureerde materialen, zoals geluidsgolven of zelfs elektronen in kristallen. Muis: “De volgende stap is om deze techniek verder te onderzoeken met een gepulste laser, om te zien hoe we de lichtversterking nog verder kunnen optimaliseren en hoe we het kunnen gebruiken voor toepassingen in optische chips.”