Een nieuwe methode maakt het mogelijk om ultraviolet (UV) licht te genereren op een fotonische chip, met vermogensniveaus die hoog genoeg zijn voor praktische toepassingen. Daarbij is het voor het eerst gelukt om UV-licht op milliwatt-niveau op een chip te produceren. De doorbraak is volgens de betrokken onderzoekers een belangrijke stap voor quantumtechnologie, optische atoomklokken en geavanceerde meetapparatuur.
De methode is ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit Twente en de Harvard University. Geïntegreerde lichtbronnen zijn essentieel voor verschillende technologieën. Data wordt bijvoorbeeld via glasvezels getransporteerd als infraroodlicht. Andere toepassingen, zoals sensoren en quantumcomputers, hebben echter zichtbaar of UV-licht nodig. Tot nu toe waren chips vooral geschikt voor langere golflengten.
“Elke toepassing vereist een specifieke kleur licht”, legt Kees Franken, een van de auteurs van de studie, uit. “Bij korte golflengten zoals UV was de kwaliteit van geïntegreerde lichtbronnen simpelweg niet goed genoeg.”
Slim conversieproces
De onderzoekers lossen dit op met een slim conversieproces. Ze beginnen met rood licht, dat al langer relatief eenvoudig op een chip kan worden gegenereerd. Dit rode licht zetten zij vervolgens om in UV-licht, waarbij twee rode fotonen worden omgezet in één UV-foton.
Tot nu toe leverde deze methode slechts minimale lichtopbrengst op chips op. In de nieuwe studie zijn de onderzoekers er echter in geslaagd een bruikbare hoeveelheid UV-licht te genereren. Het gaat om enkele milliwatts, wat ongeveer honderd keer meer is dan in eerdere onderzoeken.
Dunnefilm-lithiumniobaat
Dit is onder meer mogelijk door het gebruik van een dunnefilm-lithiumniobaat. De chipversie van dit materiaal is ontwikkeld door een groep verbonden aan de Harvard University, waar het onderzoek in samenwerking met de Universiteit Twente is uitgevoerd.
Met behulp van het materiaal bouwden de onderzoekers een golfgeleider: een nanostructuur op de chip die licht geleidt en insluit. Ze manipuleerden de golfgeleider over de gehele lengte van bijna twee centimeter. Hiervoor maten ze de vorm met een precisie van enkele tientallen atomaire diameters.
Ongeveer 10.000 elektrodes per golfgeleider
Met elektrodes langs de zijkanten van de golfgeleider keerden ze de oriëntatie van de kristalstructuur van het materiaal periodiek om, tot wel duizend keer per millimeter. Door afwisselend spanning aan en uit te zetten langs de golfgeleider ontstaat een patroon dat de conversie mogelijk maakt. Elk van de ongeveer 10.000 elektrodes per golfgeleider is uniek en afgestemd op de exacte vorm van de golfgeleider op dat specifieke punt op de chip.
In eerder werk waren de elektrodes op enige afstand van de golfgeleider geplaatst. “In ons ontwerp zitten ze er rechtstreeks op”, zegt Franken. “Dat vereiste een fabricageproces met een nauwkeurigheid van vijftig nanometer over een chip van enkele centimeters lang. Maar het geeft ons veel meer controle, en de conversie van rood naar UV verloopt daardoor veel efficiënter.”
Relevant voor onder meer quantumcomputers
De resultaten zijn met name relevant voor technologieën die momenteel nog omvangrijk, duur en moeilijk schaalbaar zijn. Quantumcomputers zijn hiervan een voorbeeld. “Als je systemen zoals quantumcomputers wilt opschalen, heb je lichtbronnen op een chip nodig,” aldus Franken. Dit geldt ook voor optische atoomklokken, die zo precies zijn dat ze zelfs verschillen in zwaartekracht kunnen detecteren. Door ze op een chip te plaatsen, worden ze compact en praktisch genoeg voor toepassingen in satellieten.
De technologie is ondergebracht in de UT-spin-off Sabratha. Dit bedrijf richt zich op dunnefilm-lithiumniobaat en het opschalen van deze fotonische chips voor telecom- en draadloze communicatie.
