UTDSINieuwsGeluid en licht vangen op een chip

Geluid en licht vangen op een chip Nieuwe mogelijkheden in geïntegreerde fotonica

Wetenschappers van de Universiteit Twente hebben een nieuwe techniek ontwikkeld om geluidsgolven en licht effectief op te vangen, met behulp van meerlaagse siliciumnitride golfgeleiders. Het onderzoeksproject heeft succesvol aangetoond dat het manipuleren van licht met geluid in grootschalige schakelingen haalbaar is en aansluitbaar is met de huidige productiemethoden. Het wetenschappelijke tijdschrift Science Advances publiceerde hun artikel op 7 oktober 2022.

Uitbreiding van de fotonische gereedschapskist

In de afgelopen decennia zijn chips en elektronische apparaten exponentieel kleiner en sneller geworden. We hebben bijna de grenzen van de 'traditionele' elektronica bereikt en zijn nu bezig met de overgang van elektronica naar fotonica; het gebruik van licht in plaats van elektronen. Op deze schaal ontstaan allerlei nieuwe uitdagingen. Zo kunnen de kleinste storingen of quantumeffecten signalen vervormen en onbruikbaar maken. Een onderzoeksteam van de Universiteit Twente voegde recent een nieuwe oplossing toe aan de 'fotonische gereedschapskist'.

Gestimuleerde Brillouinverstrooiing - licht manipuleren met geluid

Het filteren, versterken en verwerken van optische signalen is essentieel voor de ontwikkeling van nieuwe telecommunicatietechnieken, quantumoptica en sensoren. Eén manier om dit effectief te doen is door gebruik te maken van een coherente optomechanische interactietechniek die gestimuleerde Brillouin-verstrooiing heet. Bij deze techniek genereren twee fijn afgestelde lasers een geluidsgolf met frequenties die 1 miljoen keer hoger zijn dan de menselijke gehoordrempel en sluiten deze op in een golfgeleider. Licht dat door de golfgeleider gaat, reageert met de geluidsgolf, die een zeer klein en specifiek deel van het lichtspectrum reflecteert. De geluidsgolf filtert daarmee het signaal.


Afbeelding 1: 3D illustratie van het concept van het vangen van licht en geluidsgolven in meerlaage Siliciumnitride golfgeleiders

"Hoewel veel onderzoekers Brillouin-verstrooiing de laatste jaren uitgebreid bestudeerden, lukte het niemand om het betrouwbaar te implementeren op een chip die geschikt is voor gebruik in ons dagelijks leven", vertelt prof. David Marpaung, professor die de onderzoeksgroep Nonlinear Nanophotonics leidt. "De geluidsgolf vangen in een golfgeleider die lang genoeg is om effectief te zijn, bleek erg moeilijk. Een grot probleem in de op silicium gebaseerde platforms is de ‘akoestische lekkage'. In deze traditionele platforms verhinderen die sterke Brillouin-interacties. Alternatieve materialen zijn vaak onstabiel, kwetsbaar of zelfs giftig.

Doorbraak met meerlaagse siliciumnitride golfgeleider

Het onderzoeksteam van de Universiteit Twente heeft nanofotonische circuits van siliciumnitride (Si3N4) met laag verlies gebruikt om zowel de optische als de akoestische golven op te sluiten. Deze schakelingen bestaan uit 50 cm lange spiraalvormige golfgeleiders. Deze opstelling vangt de geluidsgolf op en voorkomt de akoestische lekkage die optreedt bij gebruik van een enkele siliciumnitride kern. Naast veelbelovende resultaten in hun experimentele opstelling, produceerden de onderzoekers een werkend proof-of-concept en andere praktische implementaties. Roel Botter, eerste auteur van het artikel: "We ontwikkelden een RF-annulering notch filter, en de resultaten tonen veel potentie voor toekomstige soliciumnitride chips die gebruik maken van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing.”


Afbeelding 2: Siliciumnitride fotonische chip

Marpaung voegt daaraan toe: "Ons onderzoek maakt integratie van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing in grote schakelingen mogelijk. In de toekomst integreren onderzoekers deze nieuwe chips met andere opkomende technologieën zoals afstembare lasers, frequentiekammen en programmeerbare fotonische schakelingen, waardoor ze mogelijk een rol gaan spelen in de toekomstige ontwikkeling van gebieden variërend van telecommunicatie tot quantumcomputing."

Samenwerking en financiering

Het op 7 oktober in het tijdschrift Science Advances gepubliceerde onderzoekspaper is het resultaat van een vier jaar durend onderzoek naar de haalbaarheid van gestimuleerde Brillouin-verstrooiing in siliciumnitride fotonische schakelingen. Het onderzoek vond plaats aan het MESA+ instituut van de Universiteit Twente, in samenwerking met Dr. Yang Liu, wetenschapper aan het Laboratory of Photonics and Quantum Measurements van de EPFL in Zwitserland. De siliciumnitride chips zijn geproduceerd door LioniX International, een spin-off van de Universiteit Twente, en een onmisbare partner in het onderzoeksproces.
Het project is gefinancierd door de programma's Vidi en START UP van de Nederlandse Onderzoeksraad (NWO), die innovatieve onderzoeksprojecten met grote maatschappelijke en wetenschappelijke impact ondersteunt.

DOI: 10.1126/sciadv.abq2196

prof.dr.ir. D.A.I. Marpaung (David)
Hoogleraar
R.A. Botter MSc (Roel)
Promovendus
K.W. Wesselink - Schram MSc (Kees)
Wetenschapscommunicatiemedewerker (aanwezig ma-vr)