De moderne fotonica-industrie werkt voortdurend aan het compacter maken van haar apparaten, of het nu computersystemen of sensoren en lidars zijn. Voor deze, het is noodzakelijk om lasers te maken, transistors en andere elementen kleiner. Een team van wetenschappers onder leiding van ITMO-onderzoekers stelde een snelle en betaalbare methode voor om optische chips te maken in een petrischaal. Het onderzoek is gepubliceerd in ACS Nano .

Vandaag, het gebruik van apparaten die zijn gebaseerd op microscopische lasers en optische chips wordt steeds gebruikelijker. Ze worden gebruikt bij de productie van lidars, bij de ontwikkeling van nieuwe biosensoren, en in de toekomst, ze kunnen de basis worden voor nieuwe optische computers die fotonen zullen gebruiken in plaats van elektronen om informatie over te dragen en te verwerken. De huidige optische chips werken in het infrarood (IR) bereik, d.w.z. de lasers die ze gebruiken, zenden uit op de golflengten die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog.

"Maar om de apparaten nog compacter te maken, we moeten werken in het zichtbare bereik, aangezien de grootte van een chip afhangt van de golflengte van zijn emissie, " zegt Sergey Makarov, hoofdonderzoeker bij ITMO's Department of Physics and Engineering.

Een optische chip bestaat uit onderdelen als lasers en golfgeleiders. Hoewel het vrij eenvoudig is om een ​​bron te maken die in het groene of rode deel van het spectrum zou uitzenden, golfgeleiders voor deze golflengten kunnen een probleem zijn.

"Een microlaser is een emissiebron die je ergens naartoe moet leiden, " zegt Ivan Sinev, senior onderzoeker bij ITMO's Department of Physics and Engineering. "En daar zijn golfgeleiders voor. Maar de standaard siliciumgolfgeleiders die in IR-optiek worden gebruikt, werken niet in het zichtbare bereik. Ze zenden het signaal niet verder dan enkele micrometers uit. Voor een optische chip, we moeten tientallen micrometers zenden met een hoge lokalisatie, zodat de golfgeleider een zeer kleine diameter zou hebben en het licht er voldoende ver doorheen zou gaan."

Wetenschappers hebben pogingen ondernomen om silicium golfgeleiders te vervangen door zilveren, maar de transmissieafstand in dergelijke systemen was ook onvoldoende. Uiteindelijk, een team van wetenschappers, waaronder specialisten van de ITMO University, gebruikte galliumfosfide als materiaal voor de golfgeleiders, omdat het zeer lage verliezen heeft in de zichtbare band. Maar het belangrijkste is dat zowel de lichtbron direct op een golfgeleider in een petrischaal kan worden gekweekt met behulp van oplossingschemiemethoden, wat veel goedkoper is dan de veelgebruikte nanolithografie.

De grootte van de elementen van de nieuwe chip is ongeveer drie keer kleiner dan die van zijn tegenhangers die in het IR-spectrale bereik werken.

"De belangrijke eigenschap van de chip is zijn vermogen om de emissiekleur van groen naar rood af te stemmen met behulp van een zeer eenvoudige procedure:een anionische uitwisseling tussen perovskiet en waterstofhalogenidendamp, " zegt Anatoly Pushkarev, senior onderzoeker bij ITMO's Department of Physics and Engineering. "Belangrijk, u kunt de emissiekleur wijzigen na de productie van de chip, en dit proces is omkeerbaar. Dit kan handig zijn voor de apparaten die veel optische signalen op verschillende golflengten moeten verzenden. Bijvoorbeeld, je kunt meerdere lasers maken voor zo'n apparaat, sluit ze aan op een enkele golfgeleider, en gebruik het om meerdere signalen van verschillende kleuren tegelijk te verzenden."

De wetenschappers hebben de nieuw gecreëerde chip ook uitgerust met een optische nanoantenne gemaakt van perovskiet die het signaal ontvangt dat langs de golfgeleider loopt en het mogelijk maakt om twee chips in een enkel systeem te verenigen.

"We hebben een nanoantenne toegevoegd aan het andere uiteinde van onze golfgeleider, " legt Pavel Trofimov uit, doctoraat student aan ITMO's Department of Physics and Engineering. "Dus nu, we hebben een lichtbron, een golfgeleider, en een nanoantenne die licht uitstraalt wanneer deze wordt gepompt door de emissie van de microlaser. We hebben er nog een golfgeleider aan toegevoegd:als resultaat, de emissie van een enkele laser ging in twee golfgeleiders. Tegelijkertijd, de nanoantenne verbond deze elementen niet alleen tot één systeem, maar zette ook een deel van het groene licht om in het rode spectrum."