Honderd keer sterker UV-licht op een fotonische chip

(Afbeelding: Universiteit Twente)

Geïntegreerde lichtbronnen zijn essentieel voor moderne technologie. Data wordt bijvoorbeeld verzonden met infraroodlicht in glasvezels. Maar voor andere toepassingen, zoals sensing of quantumcomputers, is juist zichtbaar of UV-licht nodig. Tot nu toe waren chips vooral geschikt voor langere golflengtes. “Elke toepassing vraagt om zijn eigen kleur licht”, zegt Kees Franken, een van de auteurs van het onderzoek. “En juist bij korte golflengtes, zoals UV, was de kwaliteit van geïntegreerde lichtbronnen vaak niet goed genoeg.”

Van rood naar UV: twee fotonen worden één
De onderzoekers losten dat op met een slim omzettingsproces. Ze begonnen met rood licht, dat sinds enkele jaren relatief eenvoudig op een chip te maken is, en zetten dat om in UV-licht. Daarbij worden twee rode fotonen omgezet tot één UV-foton. Dat leverde op chips tot nu toe weinig licht op. In dit onderzoek lukt het voor het eerst een toepasbare hoeveelheid UV-licht te genereren. Het gaat om enkele milliwatts, ongeveer honderd keer meer dan eerder werk.

Thin-film lithium niobaat
Het team werkte met een thin-film lithium niobaatt. Dit nieuwe materiaal in zijn chip-vorm is gepionierd aan een groep in Harvard, waar dit onderzoek ook is uitgevoerd. Het materiaal heeft de laatste jaren veel aandacht gekregen voor haar bijzondere eigenschappen.

Met dit materiaal produceerden ze een unieke golfgeleider, een minuscuul spoor op de chip dat het licht geleidt en vasthoudt. De onderzoekers manipuleerden de golfgeleider op de nanometerschaal over de gehele lengte van bijna twee centimeter. Om te bepalen hoe ze die golfgeleider moesten manipuleren, maten ze eerst de vorm van de golfgeleider tot op enkele tientallen atoomdoorsneden nauwkeurig.

Met speciale elektrodes langs de zijkant van de golfgeleider lukte het de onderzoekers de structuur van het materiaal periodiek van richting te draaien, tot wel duizend keer om een duizendste van een millimeter. Door afwisselend wel en geen spanning aan te brengen, ontstaat een patroon dat het omzettingsproces mogelijk maakt. Elke van de ongeveer tienduizend elektrodes per golfgeleider is daarbij uniek en afgestemd op wat er op die specifieke plek in de chip daadwerkelijk is gefabriceerd.

In eerder werk plaatsten onderzoekers de elektrodes redelijk ver naast de golfgeleider. “Bij ons liggen de elektrodes erop”, vertelt Franken. “Dat vereiste een fabricageproces met een precisie van vijftig nanometer over de gehele chip van enkele centimeters lang. Maar daardoor geeft het veel meer controle en werkt de omzetting van rood licht naar UV-licht veel efficiënter.”

Van quantumcomputers tot optische klokken
De resultaten zijn vooral interessant voor technologieën die nu nog groot, duur en moeilijk schaalbaar zijn. Denk aan quantumcomputers. “Als je zulke systemen wilt opschalen, moet je richting lichtbronnen op een chip,” zegt Franken. Hetzelfde geldt voor optische atoomklokken, die zo nauwkeurig zijn dat ze zelfs verschillen in zwaartekracht kunnen meten. Integratie op een chip maakt deze klokken compacter en toegankelijker. Bijvoorbeeld voor toepassingen in satellieten.

De kennis is geborgd in een UT-spin-off: Sabratha. De start-up richt zich op thin-film-lithium-niobaattechnologie en het opschalen van deze fotonische chips voor telecom en draadloze communicatie.