Snelweg voor licht

David de Vocht ontwikkelde een nieuwe manier om licht door een optische chip te sturen. Foto: Bart van Overbeeke.

De Vocht verdedigde woensdag 12 maart zijn proefschrift bij de faculteit Electrical Engineering.

In samenwerking met ASML, ProDrive Technologies, SMART Photonics en Lionix Internationals was De Vocht betrokken bij het ontwerpen van een nieuwe generatie optische sensoren.

Eerst een kort lesje actieve optische sensoren, zegt De Vocht.

“Onze ogen zijn passief, ze vangen het licht op van de omgeving rondom ons om objecten te identificeren. Actieve optische sensoren sturen zelf (laser)licht uit. Via een lens wordt dit licht dan gefocust op een object en met het licht dat terug komt kun je een object analyseren. In heel veel industriële processen worden zulke optische sensoren gebruikt, om de kwaliteit, veiligheid en controle te verbeteren. Zo kun je bijvoorbeeld met deze sensoren gevaarlijke fijnstofdeeltjes detecteren in de lucht. Of ze zijn cruciaal voor semiconductor bedrijven om chips te produceren. En er moet steeds meer en nauwkeuriger gemeten worden. Daarom ontwikkelen we nieuwe technologie waarmee we sensoren kleiner en goedkoper kunnen maken voor nog meer toepassingen.”

Wat is er dan zo nieuw aan het type sensoren van De Vocht en zijn collega’s? “We zijn aan de slag gegaan om minuscule optische onderdelen die een lichtstraal kunnen sturen, zoals lensjes en spiegeltjes, te integreren in een enkele optische chip. Alles dus in het klein, op één chip. De gebogen lenzen die je wel kent, zijn niet praktisch voor in zulke compacte toepassingen, die nemen veel te veel ruimte in. De lensjes worden dus echte platte pannenkoeken met een dikte van enkele micrometers.”

Keep your lane
Allemaal om de lichtstraal dus minutieus te kunnen sturen, legt De Vocht uit. Hij vergelijkt het met een snelweg, waar je als automobilist maar één kant op kunt. “Wij hebben geprobeerd technologie te ontwikkelen om op- en afritten zo efficiënt mogelijk te kiezen voor een goede doorstroming.”

In het lab werkte De Vocht aan een innovatieve oplossing om de lichtstraal te sturen met optische koppelaars. Hij gebruikte daar geen normale lenzen voor, maar golfgeleidershologrammen.

“We sturen op onze optische chips het laserlicht in een dunne golfgeleider, als een snelweg voor licht. Daarin hebben we een serie van nanostructuren gebouwd die kleinere afmetingen hebben dan de golflengte van het laserlicht. Hierdoor gelden de normale principes van de klassieke optica niet meer. De positie van een nanostructuur bepaalt nu in welke richting het licht wordt gestuurd, de dikte hoe sterk de lichtstraal is. Zo hebben we dus een ultradunne component waardoor de lichtstraal niet alle kanten opgaat, maar netjes op de snelwegbaan blijft. En, ook bijzonder, we kunnen dat met verschillende kleuren licht.”

Bouwblokjes
Naast veel experimenteel werk heeft De Vocht ook een model gemaakt hoe de miljoenen nanostructuren interacteren met licht, en op welke manier ze dat kunnen beïnvloeden.

“Met de bestaande, commerciële software waren we dagen aan het rekenen hoe het licht wat we erin stuurden eruit kwam. Dankzij ons model kunnen we dat nu in enkele secondes, dat helpt enorm bij het sensorontwerp. De experimentele meetresultaten hebben we in een vervolgstudie kunnen vergelijken met de simulaties en die blijken heel goed overeen te komen.”

De bouwblokjes met golfgeleidershologrammen en spiegels kunnen uiteindelijk ingezet worden in kleine sensoren voor precisiemetingen. Zoals in gassensoren, die de hoeveelheid fijnstofdeeltjes in lucht kunnen bepalen.

“Dat kan in een klaslokaal, voor een beter binnenklimaat voor de leerlingen, of bijvoorbeeld in een auto, die vervolgens de ventilatie op basis van de gemeten resultaten kan aanpassen. Zo ver ben ik niet gekomen, maar we hebben een opzet gemaakt voor praktische toepassingen. Op korte termijn richt ik me nu eerst op mijn verdediging,