Voor de eerste keer, onderzoekers hebben kleine tandwielen gemaakt van germanium gebruikt om een ​​draaikolk van gedraaid licht te genereren die rond zijn bewegingsas draait, net als een kurkentrekker. Omdat germanium compatibel is met het silicium dat wordt gebruikt om computerchips te maken, de nieuwe lichtbron zou kunnen worden gebruikt om de hoeveelheid gegevens te vergroten die kan worden verzonden met op chips gebaseerde optische computers en communicatie.

De onderzoekers, van de Universiteit van Southampton in het VK, en Universiteit van Tokio, Toyohashi University of Technology en Hitachi Ltd., allemaal in Japan, beschrijf de nieuwe lichtgevende tandwielen in het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express . Met een straal van één micron of minder, 250, 000 van de tandwielen zouden in slechts één vierkante millimeter van een computerchip kunnen worden verpakt.

Er is veel belangstelling voor het genereren van licht dat gedraaid is, of heeft een baanimpulsmoment, vanwege de voordelen voor communicatie en computergebruik. Vandaag, licht wordt gebruikt om informatie te dragen door het aantal uitgezonden fotonen te variëren of door te schakelen tussen de twee polarisatietoestanden van het licht. Met gedraaid licht, elke draai kan een andere waarde of letter vertegenwoordigen, waardoor het coderen van veel meer informatie met minder licht mogelijk is.

"Onze nieuwe microgears bevatten het potentieel voor een laser die kan worden geïntegreerd op een siliciumsubstraat - het laatste onderdeel dat nodig is om een ​​geïntegreerd optisch circuit op een computer te creëren, ", zei de eerste auteur van de krant, Abdelrahman Al-Attili, van de Universiteit van Southampton. "Deze kleine optische circuits gebruiken gedraaid licht om grote hoeveelheden gegevens te verzenden."

Spanning gebruiken om de lichtemissie te verbeteren

Het was onmogelijk om een ​​bruikbare geminiaturiseerde lichtbron op silicium te maken, het materiaal dat gewoonlijk wordt gebruikt om computerchips en bijbehorende componenten te maken, omdat de eigenschappen van het materiaal leidden tot een slechte lichtgenererende efficiëntie. Hoewel germanium vergelijkbare beperkingen heeft, het toepassen van spanning door het uit te rekken kan de efficiëntie van de lichtemissie verbeteren.

"Eerder, de spanning die op germanium kon worden uitgeoefend was niet groot genoeg om efficiënt licht te creëren zonder het materiaal aan te tasten, "zei Al-Attili. "Ons nieuwe microgear-ontwerp helpt deze uitdaging te overwinnen."

Het nieuwe ontwerp heeft microtandwielen die aan de randen vrijstaand zijn, zodat ze kunnen worden uitgerekt door een oxidefilm die over de structuren wordt afgezet. Hierdoor kan trekspanning worden toegepast zonder de kristalstructuur van het germanium te breken. De tandwielen staan ​​op een siliconen voetstuk dat het verbindt met de bovenkant van het siliciumsubstraat en zorgt ervoor dat warmte tijdens bedrijf kan worden afgevoerd.

Om hun nieuwe ontwerp te demonstreren, de onderzoekers gebruikten elektronenstraallithografie om de zeer fijne fysieke kenmerken te fabriceren die de tanden van de tandwielen vormen. Vervolgens verlichtten ze de tandwielen met een standaard groene laser die geen gedraaid licht uitstraalde. Nadat het microtandwiel het groene licht heeft geabsorbeerd, genereert het zijn eigen fotonen die rond de randen circuleren en gedraaid licht vormen dat door de periodieke tanden verticaal uit het tandwiel wordt gereflecteerd.

Precisie optische simulaties

De onderzoekers hebben hun ontwerp getest en aangepast met behulp van computersimulaties die modelleren hoe licht zich gedurende nanoseconden of zelfs kortere tijdsperioden in de versnellingen voortplant. Door de lichtemissie van het prototype te vergelijken met computersimulatieresultaten, ze konden bevestigen dat de tandwielen gedraaid licht genereerden.

"We kunnen ons apparaat nauwkeurig ontwerpen om het aantal omwentelingen per voortplantingsgolflengte en de golflengte van het uitgezonden licht te regelen, ' zei Al-Attili.

De onderzoekers werken nu aan het verder verbeteren van de efficiëntie van de lichtemissie van de germanium-microgears. Indien succesvol, deze technologie zou het mogelijk maken om duizenden lasers te integreren op een siliciumchip voor het verzenden van informatie.

"Technologieën voor de fabricage van silicium die werden ontwikkeld om elektronische apparaten te maken, kunnen nu worden toegepast om verschillende optische apparaten te maken, "zei Al-Attili. "Onze microgears zijn slechts één voorbeeld van hoe deze mogelijkheden kunnen worden gebruikt om apparaten op nano- en microschaal te maken."