Een onderzoeker van de Arizona State University heeft een nieuwe doorbraak gemaakt door het zeldzame aardmetaal erbium als versterkingsmateriaal voor een optische versterker te gebruiken. dit keer met een prestatie die het voor het eerst mogelijk maakt om optische technologieën met kleine chips te gebruiken. De ontdekking bereikt een decennialang doel op het gebied van fotonische integratie, waarin verschillende kleine optische componenten strak worden gecombineerd voor betere prestaties en fabricagegemak.

Details van de nieuwe optische versterking, "Reusachtige optische winst in een nanodraad van erbiumchloridesilicaat met één kristal, " werden gepubliceerd in de online editie van juli van Natuurfotonica .

Cun-Zheng Ning, een ASU hoogleraar elektrotechniek, en Hao Sun van de Chinese Tsinghua-universiteit, en hun teams zijn erin geslaagd de optische versterking van erbium te verhogen van het typische lage niveau van een paar dB tot meer dan 100 dB per centimeter voortplanting. De aanzienlijke toename van de optische winst maakt het mogelijk om op erbium gebaseerde materialen te integreren op een chip voor optische versterkers en lasers.

In 2011, Ning leidde een team dat dat specifieke erbiumsilicaatzout ontdekte, ontwikkeld als een nanodraad met een slanker profiel, zou een uitstekende kandidaat kunnen zijn als fotonica-versterkingsmateriaal - het stelt ingenieurs in staat om maximaal 1 000 keer meer erbium in optische versterkers, lasers, apparaten voor kwantuminformatie, schakelaars en zonnecellen.

Erbium is belangrijk voor veel toepassingen, vooral als optische versterker begraven samen met optische vezels voor communicatie over en tussen continenten. De met erbium gedoteerde versterker is een onvervangbare technologie in zo'n langeafstandscommunicatiesysteem.

Wetenschappers en ingenieurs hebben geprobeerd het succes van signaalversterking door erbium op een kleiner platform te repliceren, zoals op een kleine chip van een geïntegreerd fotonisch systeem. Het nieuwe onderzoek van Ning lost het probleem op dat de hoeveelheid versterking in een typische met erbium gedoteerde vezel te klein is, en de vereiste lengte is te lang, voor integratie op chipschaal.

Hoewel het enkele jaren heeft geduurd sinds de ontdekking van de erbium-nanodraadtechnologie, Ning, Sun en hun team waren in staat om een ​​delicaat experiment uit te voeren op een enkele nanodraad die de intrinsieke absorptiecoëfficiënt onthulde. Dankzij dit proces kon voor het eerst de materiaalabsorptie nauwkeurig worden gemeten, en vervolgens de extreem hoge optische versterking vaststellen, ongeveer twee orden van grootte hoger dan eerder gerapporteerde erbiummaterialen.

"We zijn verheugd dat we eindelijk de grote optische winst hebben kunnen vaststellen die we jarenlang hadden voorspeld op basis van andere metingen die we hebben gedaan, " zei Ning. "Op basis van deze nieuwe nanodraadtechnologie met één kristal, ons volgende doel is om meerdere apparaten te integreren op een siliciumplatform voor geïntegreerde fotonische circuits."

"De volgende stap is het demonstreren van een echt optisch apparaat zoals een optische versterker of een laser op basis van de vastgestelde hoge optische versterking, " zei Zon.