Zie Nieuws

Kijken naar verboden licht

Een kristal met een ‘3D photonic band gap’ is een krachtige manier om licht te besturen en manipuleren. Nieuwe typen zonnecellen, sensoren en miniatuurlasers kunnen hiervan profiteren. Binnenin zo’n kristal is het voor een aantal golflengten van licht ‘verboden terrein’. Tot nu toe is dit verboden gebied vooral vastgesteld met theoretische modellen. Die modellen zijn geïdealiseerd en schieten daardoor tekort. Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben nu een volledig experimentele methode ontwikkeld om het verboden gebied, de ‘band gap’, te bepalen, door het niet-zichtbare zichtbaar te maken. Zij publiceren hun methode in ‘Optics Express’, van de Optical Society of America.

Fotonische kristallen hebben ongekende mogelijkheden om licht te manipuleren, gebruikmakend van silicium. Dat materiaal zèlf is minder geschikt om licht te beïnvloeden, omdat het transparant is voor licht in de ‘populaire’ kleuren die in de telecommunicatie worden gebruikt. Een fotonisch kristal krijgt bij de fabricage een speciale inwendige structuur waardoor een bepaald gebied van kleuren licht er niet doorheen komt. Dankzij deze mogelijkheid om licht te manipuleren, zijn de werelden van elektronica en fotonica bijvoorbeeld te koppelen.

Bandgap tussen golflengten van 1400 nm en 1750 nm

Een kristal krijgt de juiste handtekening dankzij een patroon van poriën die perfect periodiek zijn en de breking van licht beïnvloeden. Toch weten we, als het kristal eenmaal is gefabriceerd, nog niet wat het precieze resultaat is. Leiden de afmetingen van de poriën inderdaad tot het gewenste ‘verboden gebied’? Heeft het fabricageproces nog geleid tot kleine afwijkingen? Het is onmogelijk om dit allemaal in modellen en simulaties te vangen. UT-onderzoeker Manashee Adhikary en haar collega’s kiezen daarom voor de volledig experimentele benadering om het kristal te karakteriseren. Dit levert onmisbare feedback op om het ontwerp en de fabricage te optimaliseren.

In alle hoeken en gaten

Hiervoor hebben ze fotonische kristallen gefabriceerd die een poriënstructuur hebben die leidt tot een bandgap die typisch in het telecomgebied valt. Die structuur heet ook wel ‘inverse woodpile’, het zijn diepe poriën alsof het gestapelde holle boomstammen zijn. Door licht op het kristal te schijnen, van een grote bandbreedte en veel invalshoeken, zien de onderzoekers het licht in het verboden gebied reflecteren. Zo is het verboden gebied exact vast te leggen. Ze doen dit voor twee polarisatierichtingen van het invallend licht, loodrecht op elkaar: deze richting zou niet mogen uitmaken voor de breedte van de gap, en de experimenten bevestigen dat. Een kristal van hoge kwaliteit zou meer dan 90 procent moeten reflecteren in de verboden band: de experimenten bevestigen dit.

De nieuwe ‘probe’ techniek maakt het mogelijk om de kwaliteit van een fotonisch kristal snel te testen, zodat de fabricagetechniek zo nodig is bij te stellen. De kristallen zijn dan nog beter op maat te maken voor nieuwe toepassingen in bijvoorbeeld opto-elektronica en quantum photonics.

Het onderzoek is uitgevoerd in de groep Complex Photonic Systems van het MESA+ Instituut van de UT. Het is ondersteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek NWO (programma’s ‘Free Form Scattering Optics’ en ‘Stirring of Light’) en door de sectie ‘Applied Nanophotonics’ van MESA+

The research has been done in the Complex Photonics Group of the MESA+ Institute at the University of Twente. It is supported by the Dutch Research Council NWO (programmes ‘Free Form Scattering Optics’ and ‘Stirring of Light’) and the ‘Applied Nanophotonics’ section of the MESA+ Institute.

Het paper Experimental probe of a complete 3D photonic band gap’, door Manashee Adhikary, Ravitej Uppu, Cornelis Harteveld, Diana Grishina and Willem Vos, verschijnt in het februarinummer van Optics Express en staat nu al online.  

ir. W.R. van der Veen (Wiebe)
Persvoorlichter (aanwezig ma-vr)