Zie Nieuws

Fotonen in het gevang UT-onderzoekers sluiten licht op in fotonisch kristal

Een miniatuur gevangenis voor fotonen: dat is de nanocavity die onderzoekers van de Universiteit Twente hebben ontdekt. Het is een uiterst kleine holte die van alle kanten wordt omgeven door een fotonisch kristal – een structuur van poriën die loodrecht op elkaar staan. De opsluiting van fotonen in een 3D-holte kan leiden tot efficiënte miniatuurlasers en LED’s, tot het optisch opslaan van informatie of tot gevoelige sensoren voor biomedische toepassingen. De onderzoekers presenteren hun vinding in in Physical Review B, een van de journals van de American Physical Society.

Technieken om licht te ‘vangen’ staan aan de basis van fotonica. Een bekende ‘cavity’ bestaat uit twee spiegels waartussen een staande golf ontstaat van een bepaalde kleur licht, afhankelijk van de afstand tussen de spiegels. Dat is ook het principe van een laser. Maar licht dat naar de zijkant weglekt, wordt niet meer door de spiegels gereflecteerd. Kun je dat voorkomen door een foton te omgeven door spiegels in drie dimensies? Dat kan, aldus de UT-onderzoekers. De spiegels zijn in dit geval driedimensionale fotonische kristallen. Die bestaan uit poriën die diep in silicium zijn geëtst, in twee richtingen loodrecht op elkaar.

Bewust verstoren

Fotonische kristallen staan al bekend om hun bijzondere licht-eigenschappen. De structuur en de regelmaat van de poriën is zo opgebouwd dat alleen licht van bepaalde golflengten zich kan voortplanten. Maar hoe maak je dan, diep in die structuur, een onregelmatigheid of 'defect' in het kristal, zodat het foton wordt opgesloten? In hun publicatie laten de UT-onderzoekers zien dat dit kan door twee poriën, loodrecht op elkaar, bewust een andere diameter te geven. Waar ze elkaar kruisen, ontstaat de holte. Aan alle kanten wordt de holte omgeven door de regelmatige kristalstructuur: voor het foton is er geen ontkomen aan. Onderzoeker Devashish: “Onze berekeningen tonen aan dat in het kleine volume van de holte de lichtenergie tot wel 2400 maal zo groot is als buiten het kristal. En dat voor een structuur die nog geen 1,5 micrometer groot is!”

Lichtgewicht

Door de regelmaat in de structuur plaatselijk aan te passen, blijkt het kristal ook een aanzienlijke absorptie te laten zien van licht in het zichtbare gebied, tot tienmaal de absorptie van ‘onbehandeld’ silicium. “Die sterke absorptie, in een heel klein volume, is een mooie eigenschap voor sensoren. De grote dichtheid van poriën maakt het kristal ook nog eens lichtgewicht – we noemen dat ook wel holeyness”, aldus prof. Willem Vos, die de groep Complex Photonic Systems leidt. De kristallen zijn ook te integreren in de huidige siliciumtechnologie.

Lichtchips

Eerder lieten de onderzoekers al zien dat de fotonische kristallen die een diamantstructuur hebben, licht kunnen reflecteren over een zeer breed kleurenspectrum, voor alle hoeken. Dit onderzoek stond aan de basis voor de nieuwe vinding die nu is gepresenteerd. De cavities zullen naar verwachting ook een belangrijke rol spelen in fotonische chips, (PIC’s -photonic integrated circuits) voor het opslaan en bewerken van lichtsignalen.

Het onderzoek is uitgevoerd door de groepen Complex Photonic Systems en Mathematics of Computational Science, verbonden aan het MESA+ Instituut van de UT.

Het paper ‘Three-dimensional photonic band gap cavity with finite support: enhanced energy density and optical absorption’ is verschenen in Physical Review B, februari 2019.

Wiebe van der Veen
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)