Door een geluidsgestuurde manier om licht te besturen toe te voegen aan de gereedschapskist van op licht gebaseerde chips, verlegden onderzoekers van de Universiteit Twente de grenzen van de technologie. Dit maakt het mogelijk om atoomklokken te ontwikkelen die klein genoeg zijn om in satellieten en drones te passen en daarmee navigatie mogelijk maken zonder GPS.
Stel je voor dat je de weg moet vinden met alleen een kompas en de sterren, en dat iemand je ineens een GPS geeft. Dat is wat David Marpaung en collega’s hebben gedaan voor ontwerpers van lichtgestuurde chips. Door hun ontdekking dat licht gestuurd kan worden met geluid, bieden de UT-onderzoekers een krachtig nieuw hulpmiddel dat het bereik en de prestaties van deze veelbelovende technologie flink uitbreidt. Deze technologie reikt inmiddels verder dan het oorspronkelijke doel van laagvermogen optische communicatie.
In de nieuwste editie van Science Advances wordt uitgelegd hoe Marpaung een bekend natuurkundig fenomeen, genaamd Stimulated Brillouin Scattering (SBS), geschikt heeft gemaakt voor massaproductie. Met SBS in hun gereedschapskist kunnen ingenieurs extreem nauwkeurige componenten zoals sub-hertz lasers en ultrascherpe filters integreren in hun fotonische schakelingen.
Deze chips gaan een schokeffect veroorzaken. “Geïntegreerde Brillouin-fotonica is een vruchtbaar gebied, zowel wetenschappelijk als commercieel, en ons werk brengt het van het lab naar de fab,” aldus Marpaung, verwijzend naar de zogenoemde 'fabs' waar chips worden geproduceerd.
Elektronen, fotonen en fononen
Voor de telecomindustrie is Brillouin Scattering doorgaans hinderlijk. Wanneer licht door een glasvezel gaat, ontstaan er wisselingen in dichtheid en brekingsindex van het materiaal, waardoor het licht verstrooid wordt. Dit beperkt de hoeveelheid licht (en dus informatie) die efficiënt kan worden overgedragen.
Maar Brillouinverstrooiing kan ook nuttig zijn. Door de positieve terugkoppeling tussen lichtgolven en de resulterende geluidsgolven (zogeheten fononen) nauwkeurig te regelen, ontstaat een nieuwe manier om informatie te transporteren en te verwerken. “Na elektronen in elektronica en fotonen in geïntegreerde fotonica, kun je fononen zien als een derde manier om signalen te sturen, vormen of verwerken,” legt Marpaung uit.
Artistieke weergave van het SBS-proces 'in actie'.
SBS tot nu niet praktisch toepasbaar
Tot voor kort was het echter niet praktisch om SBS toe te passen. “Er zijn veel proof-of-concept-demonstraties geweest, maar die stuitten op grote obstakels bij praktische inzetbaarheid en schaalbaarheid,” zegt Kaixuan Ye, promovendus in Marpaungs groep en eerste auteur van het artikel in Science Advances.
Een belangrijk struikelblok was een eigenschap van geluidsgolven zelf: net als rimpelingen op het wateroppervlak verspreiden deze zich in alle richtingen, waardoor hun energie verloren gaat. Marpaung, Ye en collega’s ontdekten dat in het optische materiaal lithiumniobaat deze geluidsgolven gestuurd kunnen worden met licht. Hierdoor worden ze bruikbaar in geïntegreerde fotonica, en sluit het aan bij een bestaande technologie: dunne-film lithiumniobaat (TFLN), een gangbaar platform voor lichtgestuurde chips.
De kracht van SBS
Om te laten zien wat deze nieuwe techniek mogelijk maakt, werkte Marpaungs groep samen met het team van Cheng Wang van de City University of Hong Kong. Ze ontwikkelden een Brillouin-versterker en laser op een chip binnen het TFLN-platform — twee essentiële bouwstenen voor elk fotonisch circuit. Ook bouwden ze een geavanceerdere component: een multifunctionele Brillouin-microwave-fotonische processor die een inkomend signaal kan filteren.
Deze demonstraties openen de deur naar toepassingen in de praktijk, waar Marpaung al mee bezig is. “SBS maakt miniaturisatie van atoomklokken mogelijk, omdat het de benodigde extreem stabiele lasers veel kleiner kan maken. Chip-lasers maken het goedkoper en haalbaarder om atoomklokken in te bouwen in satellieten en drones. Dankzij nauwkeurige tijdmeting aan boord hoeven deze apparaten dan niet meer afhankelijk te zijn van GPS,” legt hij uit.
“Ons werk maakt ook extreem nauwkeurige filtering van ongewenste signalen mogelijk. Door deze filters te combineren met snelle modulators ontstaan kleinere, goedkopere en krachtigere systemen. Deze filters zijn bijvoorbeeld waardevol bij het tegengaan van storingen of gerichte verstoring van radiosignalen. Cruciaal voor 6G-netwerken en GPS/navigatie.”
De Marpaung onderzoeksgroep, met David Marpaung (tweede van links) en Kaixuan Ye (vijfde van links)
