30 oktober 2012
Voortplanting van licht op een chip vergelijkbaar met Sinterklaasdrukte
Een team van wetenschappers aan het MESA+ Institute for Nanotechnology, het Niels Bohr Institute, en het FOM-instituut AMOLF hebben aangetoond dat licht zelfs in de meest geavanceerde ‘on-chip' golfgeleiders "gevangen" komt te zitten als gevolg van de minieme hoeveelheid wanorde die altijd aanwezig is. De toegepaste onderzoeksmethodes bieden directe informatie over waar en waarom licht vast komt te zitten. Deze resultaten zijn belangrijk om de invloed van wanorde op on-chip structuren te kwantificeren en hebben een directe impact op onze kennis van halfgeleiders en lichttransport in geïntegreerde optische apparatuur. De uitkomsten van het onderzoek worden gepubliceerd in het vooraanstaande Amerikaanse tijdschrift Physical Review B. Het blijkt dat licht zich in een geïntegreerde golfgeleider voortplant zoals het winkelend publiek zich beweegt op een drukke inkoopdag voor Sinterklaas.
Afbeelding: (a) Licht dat zich voortbeweegt door het periodieke medium. (b) In het omcirkelde gedeelte komt licht vast te zitten in het medium.
“Door een winkelstraat lopen kan erg lastig zijn, vooral op een drukke dag net voor Sinterklaas. Als je flink doorstapt, ben je redelijk snel door de straat heen. Maar hoe langzamer je loopt, des te groter is de kans dat je wordt afgeleid door geweldige aanbiedingen,” aldus Pepijn Pinkse, onderzoeker bij MESA+, die dit voorbeeld gebruikt om te illustreren wat er gebeurt als licht zich voortplant in een nanostructuur. Onder normale omstandigheden wordt de voortplanting van licht sterk beïnvloed door de periodieke orde van de nanostructuur. Er ontstaan ‘energy gaps’ of energiesprongen waar licht zich niet kan voortplanten als gevolg van interferentie. De grens tussen een energy gap en energieniveaus waar licht zich nog steeds kan voortplanten, heet de ‘band edge’ of bandkloof. Licht in de buurt van de bandkloof beweegt zich met een lagere snelheid voort. Licht dat zich langzaam voortplant, vergroot de gevoeligheid van nanosensoren en dit is van belang voor het beheersen van optische informatie. Zelfs de kleinste hoeveelheid wanorde in een structuur – die eigenlijk onvermijdelijk is – zorgt echter voor een significante wijziging in het transport van licht in de buurt van de bandkloof. Tot nu toe was het een enorme uitdaging om dit effect rechtstreeks te meten.
Pinkse heeft met zijn team van wetenschappers onderzoek gedaan naar lichttransport in geïntegreerde nanofotonische golfgeleiders. Zij hebben de energie-afhankelijke transporteigenschappen van deze nanostructuren rond de bandkloof volledig gemeten. “We hebben een volledige energieruimtekaart gemaakt die de zich voortplantende golven weergeven en de posities en energieniveaus waar licht gevangen zit.” De wetenschappers hebben waargenomen dat zelfs voor uiterst geavanceerde periodieke structuren de bandkloof geen scherpe grens meer is. De bandkloof wordt een energiebereik waar lichtgolven zich langzamer voortbewegen en soms zelfs vast komen te zitten. De kans om vast te komen zitten neemt toe wanneer de golven zich langzamer voortbewegen. “De uitkomsten zijn overigens niet beperkt tot lichtgolven, maar gelden voor de voortplanting van golven in het algemeen. Met de nieuwste microscopiemethodes die door MESA+ zijn ontwikkeld, kunnen we nu de interactie tussen vastzittende golven en langzaam bewegende golven rechtstreeks waarnemen.” Terugkerend naar de analogie van de winkelstraat: als je steeds meer gefascineerd raakt door alle ongelooflijke koopjes die je onderweg ziet, zou je wel eens in een van die aantrekkelijke winkels verzeild kunnen raken.
Informatie op het internet:
De paper heet “Measurement of a Band-Edge Tail in the Density of States of a Photonic-Crystal Waveguide” en wordt gepubliceerd in Physical Review B. De paper is tevens beschikbaar via www.appliednanophotonics.com.
