Navigatie zonder GPS dankzij geluidgestuurd licht

Licht besturen met geluid bij het maken van fotonische chips. Die mogelijkheid maakt de weg vrij naar atoomklokken die klein genoeg zijn voor in satellieten en drones. “Daarmee kunnen we navigeren zonder GPS”, zo claimen de onderzoekers van de Universiteit Twente.

In Science Advances wordt uitgelegd hoe David Marpaung en collega’s het natuurkundige fenomeen Stimulated Brillouin Scattering (SBS) geschikt hebben gemaakt voor massaproductie. Met SBS kunnen ingenieurs extreem nauwkeurige componenten integreren in hun fotonische schakelingen, zoals sub-hertz lasers en ultrascherpe filters .

“Deze chips gaan een schokeffect veroorzaken. Geïntegreerde Brillouin-fotonica is een vruchtbaar gebied, zowel wetenschappelijk als commercieel, en ons werk brengt het van het lab naar de fab,” aldus Marpaung.

Doorgaans hinderlijk

Voor de telecomindustrie is Brillouin Scattering doorgaans hinderlijk. Wanneer licht door een glasvezel gaat, ontstaan er wisselingen in dichtheid en brekingsindex van het materiaal, waardoor het licht verstrooid wordt. Dit beperkt de hoeveelheid licht (en dus informatie) die efficiënt kan worden overgedragen.

Maar Brillouinverstrooiing kan ook nuttig zijn. Door de positieve terugkoppeling tussen lichtgolven en de resulterende geluidsgolven (de fononen) nauwkeurig te regelen, ontstaat een nieuwe manier om informatie te transporteren en te verwerken. “Na elektronen en fotonen, kun je fononen zien als een derde manier om signalen te sturen, vormen of verwerken,” zegt Marpaung.

Tot nu niet praktisch toepasbaar

Tot voor kort was het echter niet praktisch om SBS toe te passen. “Er zijn veel proof-of-concept-demonstraties geweest, maar die stuitten op grote obstakels bij praktische inzetbaarheid en schaalbaarheid,” zegt eerste auteur Kaixuan Ye.

Een belangrijk struikelblok was het feit dat geluidsgolven zich in alle richtingen verspreiden, waarbij hun energie verloren gaat. Het team ontdekte echter dat geluidsgolven in het optische materiaal lithiumniobaat gestuurd kunnen worden met licht. Hierdoor worden ze bruikbaar in geïntegreerde fotonica, en sluit het aan bij dunne-film lithiumniobaat (TFLN), een gangbaar platform voor lichtgestuurde chips.

De kracht van SBS

Om te laten zien wat deze nieuwe techniek mogelijk maakt, werkte Marpaungs groep samen met het team van Cheng Wang van de City University of Hong Kong. Ze ontwikkelden een Brillouin-versterker en laser op een chip binnen het TFLN-platform — twee essentiële bouwstenen voor elk fotonisch circuit. Ook bouwden ze een geavanceerdere component: een multifunctionele Brillouin-microwave-fotonische processor die een inkomend signaal kan filteren.

Deze demonstraties openen de deur naar toepassingen in de praktijk, waar Marpaung al mee bezig is. “SBS maakt miniaturisatie van atoomklokken mogelijk, omdat het de benodigde extreem stabiele lasers veel kleiner kan maken. Chip-lasers maken het goedkoper en haalbaarder om atoomklokken in te bouwen in satellieten en drones. Dankzij nauwkeurige tijdmeting aan boord hoeven deze apparaten dan niet meer afhankelijk te zijn van GPS,” zegt hij.

“Ons werk maakt ook extreem nauwkeurige filtering van ongewenste signalen mogelijk. Door deze filters te combineren met snelle modulators ontstaan kleinere, goedkopere en krachtigere systemen. Deze filters zijn bijvoorbeeld waardevol bij het tegengaan van storingen of gerichte verstoring van radiosignalen. Cruciaal voor 6G-netwerken en GPS/navigatie.”