Wereldwijd werken onderzoekers aan de ontwikkeling van optische chips, waar licht kan worden gecontroleerd met nanostructuren. Deze zouden kunnen worden gebruikt voor toekomstige circuits op basis van licht (fotonen) in plaats van elektronen - dat is fotonica in plaats van elektronica. Maar het is onmogelijk gebleken om perfecte fotonische nanostructuren te realiseren:ze zijn onvermijdelijk een beetje onvolmaakt. Nu hebben onderzoekers van het Niels Bohr Instituut in samenwerking met DTU ontdekt dat imperfecte nanostructuren geheel nieuwe functionaliteiten kunnen bieden. Ze hebben aangetoond dat imperfecte optische chips kunnen worden gebruikt om 'nanolasers' te produceren, wat een ultiem compacte en energiezuinige lichtbron is. De resultaten worden gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

De onderzoekers werken met extreem kleine fotonische kristalmembranen - de breedte van het membraan is 25 micrometer, en de dikte is 340 nanometer (1 nanometer is een duizendste van een micrometer). De kristallen zijn gemaakt van het halfgeleidende materiaal galliumarsenide (GaAs). Op een regelmatige afstand van 380 nanometer wordt een patroon van gaten in het materiaal geëtst. De gaten hebben de functie van ingebouwde spiegels die het licht weerkaatsen en zo kunnen worden gebruikt om de verspreiding van het licht in de optische chip te regelen. De onderzoekers hebben daarom geprobeerd een zo perfect mogelijke regelmatige structuur van gaten te bereiken om het licht in bepaalde optische schakelingen te regelen.

Onvermijdelijke stoornis misbruikt

Maar in de praktijk is het onmogelijk om kleine onregelmatigheden tijdens de fabricage van de optische chips te vermijden en dit kan een groot probleem zijn, omdat dit kan leiden tot verlies van licht en dus verminderde functionaliteit. Onderzoekers van het Niels Bohr Instituut hebben het probleem van onvolkomenheden nu tot een voordeel gemaakt.

"Het blijkt dat de imperfecte optische chips uitermate geschikt zijn om licht op te vangen. Wanneer het licht in de imperfecte chip wordt gestuurd, het zal de vele kleine onregelmatige gaten raken, die het licht in willekeurige richtingen weerkaatsen. Door de veelvuldige reflecties, het licht wordt spontaan opgevangen in de nanostructuur en kan niet ontsnappen. Hierdoor kan het licht worden versterkt, resulterend in verrassend goede omstandigheden voor het creëren van zeer efficiënte en compacte lasers, " legt Peter Lodahl uit, professor en hoofd van de Quantum Photonic onderzoeksgroep aan het Niels Bohr Instituut van de Universiteit van Kopenhagen.

Experimenteer met ingebouwd licht

De onderzoekers in Quantum Photonics van het Niels Bohr Institute, onder leiding van professor Peter Lodahl en universitair hoofddocent Søren Stobbe, ontwierp het fotonische kristal en voerde de experimentele studies uit in de laboratoria van de onderzoeksgroep.

De lichtbron is geïntegreerd in het fotonische kristal zelf en bestaat uit een laag kunstmatige atomen die licht uitstralen (het basisbestanddeel van licht zijn fotonen). De fotonen worden door het kristal gestuurd, die zo helder is als glas en een patroon van kleine gaatjes heeft. Wanneer een foton een gat raakt, wordt het gereflecteerd en gekanaliseerd in de zogenaamde golfgeleider, dat is een 'fotonenspoor' dat kan worden gebruikt om de fotonen door het fotonische kristal te leiden. Echter, door de imperfecte gaten wordt het licht heen en weer geslingerd in de golfgeleider van het fotonische kristal, intensiveren en omzetten in laserlicht.

Het resultaat is laserlicht op nanometerschaal en daar zien de onderzoekers veel potentie in.

De droom van een kwantuminternet

"Het feit dat we het licht kunnen beheersen en laserlicht op nanometerschaal kunnen produceren, kan worden gebruikt om circuits te maken op basis van fotonen in plaats van elektronen, daarmee de weg vrijmaken voor optische kwantumcommunicatietechnologie in de toekomst. Met ingebouwde laserbronnen, we zullen optische componenten kunnen integreren en het maakt het bouwen van complexe functionaliteiten mogelijk. Onze ultieme droom is om een ​​'quantum internet' te bouwen, waar de informatie is gecodeerd in individuele fotonen, " leggen Peter Lodahl en Søren Stobbe uit, die enthousiast zijn over de resultaten, waaruit blijkt dat de onvermijdelijke wanorde in optische chip geen beperking is en zelfs onder de juiste omstandigheden kan worden benut.