Onderzoekers van het Gleb Wataghin Physics Institute (IFGW-UNICAMP) van de Universiteit van Campinas in de staat São Paulo, Brazilië, hebben een silicium fotonisch apparaat getheoretiseerd waarmee optische en mechanische golven die trillen met tientallen gigahertz (GHz) kunnen interageren. Het voorgestelde apparaat wordt beschreven in een artikel gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

"Door computersimulaties, we hebben een apparaat voorgesteld dat een mechanisme zou kunnen gebruiken voor de verstrooiing van licht door mechanische trillingen, genaamd Brillouin-verstrooiing, en kan worden getransponeerd naar fotonische microchips, " zei Gustavo Silva Wiederhecker, een professor aan IFGW-UNICAMP en hoofdonderzoeker van het nanofotonica-project.

In recente jaren, Wiederhecker en zijn groep bij IFGW-UNICAMP hebben zich gericht op dit mechanisme, die voor het eerst werd beschreven in 1922 door de Franse natuurkundige León Nicolas Brillouin (1889-1969). Bij Brillouin-verstrooiing, licht, die bestaat uit fotonen, interageert met elastische trillingen, die bestaan ​​uit fononen, bij zeer hoge frequenties (tientallen GHz) in een transparant medium.

Het was tot de jaren zestig onmogelijk om dit effect efficiënt te benutten, toen de Amerikaanse natuurkundige Theodore Harold Maiman (1927-2007) de laser uitvond. In die tijd, onderzoekers merkten op dat het elektromagnetische veld van een intense lichtstraal die door een laserbron langs een optische vezel wordt uitgezonden, akoestische golven induceert die zich langs het materiaal voortplanten en het licht verstrooien op een andere frequentie dan die van de laser.

"Dit lichtverstrooiingsmechanisme is gemakkelijk waar te nemen in optische vezels, die honderden kilometers lang kan zijn, omdat het cumulatief is, "Wiederhecker zei, wat betekent dat het zich opbouwt terwijl de golven langs de vezel reizen.

"Het is moeilijker te observeren en te exploiteren in een optomechanisch apparaat op micrometerschaal vanwege de kleine ruimte waarin het licht circuleert." Optomechanische apparaten beperken tegelijkertijd lichtgolven en mechanische golven om interactie tussen hen mogelijk te maken.

Om deze groottebeperking met betrekking tot lichtvoortplanting te overwinnen, Wiederhecker en zijn groep ontwikkelden siliciumschijven met een diameter van ongeveer 10 micron (μm), gelijk aan een tiende van de dikte van een mensenhaar. De schijven fungeren als microholtes.

Met behulp van een optische vezel met een diameter van ongeveer 2 m, de onderzoekers koppelden licht aan dit systeem. Het licht wordt gereflecteerd vanaf de rand van het materiaal en draait duizenden keren rond de schijfholte gedurende een paar nanoseconden voordat het verdwijnt.

Als resultaat, het licht blijft langer in de holte en interageert daardoor meer met het materiaal, en de optomechanische effecten worden versterkt. "Het is alsof het licht zich over een veel grotere afstand voortplant, ', legt Wiederhecker uit.

Het probleem is dat zo'n microholte niet toestaat dat licht op een willekeurige frequentie resoneert (om zich door de holte voort te planten), hoewel het het oorspronkelijk door de laser uitgestraalde licht wel in staat stelt zich voort te planten. "Dus je kunt het Brillouin-verstrooiingseffect niet benutten in deze microholtes, " hij zei.

Met behulp van computersimulaties, de onderzoekers construeerden in theorie geen microschijf met een holte, maar een systeem bestaande uit twee siliciummicroschijven met elk één holte. De schijven zijn zijdelings gekoppeld, en de afstand tussen hun holten is klein, in de orde van honderden nanometers (een nanometer is een miljardste van een meter). Dit systeem creëert een zogenaamd frequentiescheidingseffect.

Dit effect scheidt de frequentie van het licht dat wordt verstrooid door de akoestische golven enigszins van de frequentie van het licht dat door de laser wordt uitgezonden, dat is 11-25 GHz - precies hetzelfde als dat van de mechanische golven - en zorgt ervoor dat de duizenden fononen (elementaire excitaties van akoestische golven) die per seconde in dit systeem worden gegenereerd (met snelheden variërend van 50 kHz tot 90 kHz) zich kunnen voortplanten in de holtes.

Als resultaat, het is mogelijk om Brillouin-verstrooiing te observeren en te exploiteren in dit micrometrische systeem, volgens Wiederhecker.

"We laten zien dat met een laservermogen van ongeveer 1 milliwatt, gelijk aan het vermogen van een laserpointer voor gebruik in een diapresentatie, het zou bijvoorbeeld mogelijk zijn om het Brillouin-verstrooiingseffect waar te nemen in een systeem met dubbele schijfholte, " hij zei.