Twee materialen op één chip genereren nieuwe lichtfrequenties

Fotonische chips sturen licht in plaats van elektronen door piepkleine circuits, kleiner dan een vingernagel. Ze worden gebruikt in glasvezelnetwerken, sensoren en meetapparatuur. Tot nu toe leunden deze chips vrijwel altijd op één materiaal om licht te bewerken. Onderzoekers gepubliceerd in Advanced Photonics laten nu zien dat het combineren van twee materialen op één chip een nieuwe laag aan mogelijkheden oplevert.

Kern van glas, mantel van glas

De chip bestaat uit een ringvormige geleider, een zogeheten siliciumfotonica-structuur, met een kern van siliciumnitride. Die kern is omhuld door een laag silica, hetzelfde materiaal als in glasvezelkabels. Normaal gesproken blijft licht grotendeels binnen de kern, terwijl de omhullende laag alleen dient om het licht op zijn plek te houden. De onderzoekers ontdekten dat ongeveer 31 procent van het licht toch in die buitenlaag doordringt. In plaats van dat effect te negeren, gebruikten ze het actief.

Siliciumnitride is al bekend als sterk materiaal om optische frequentiekammen te maken: precies gerangschikte reeksen lichtfrequenties die functioneren als een soort liniaal voor licht. Silica levert daarentegen iets anders, namelijk Raman-versterking. Daarbij verandert licht van frequentie doordat het botst met trillende moleculen in het materiaal. Siliciumnitride alleen levert te weinig Raman-effect om dit proces op gang te krijgen. Door de silica-mantel te benutten, ontstond voor het eerst zogeheten Raman-lasing in een siliciumnitride-chip.

Van signaal naar breed lichtspectrum

Bij experimenten stuurden de onderzoekers continu laserlicht door de ring. Zodra het licht de resonator binnenkwam, ontstond een nieuw signaal op een frequentie die 11 terahertz verschoof ten opzichte van de oorspronkelijke laser, het bewijs van Raman-verstrooiing in silica. Toen het vermogen van de laser toenam, kwam een tweede proces op gang binnen de siliciumnitride-kern: four-wave mixing. Dat leidde tot steeds meer nieuwe frequenties, die uiteindelijk samensmolten tot brede frequentiekammen.

Door de breedte van de siliciumnitride-geleider iets te vergroten, verbeterden de onderzoekers de prestaties verder. De aangepaste chip produceerde frequentiekammen die meer dan 400 nanometer breed lopen, met pieken rond zowel de oorspronkelijke laserfrequentie als de Raman-verschoven frequenties. De berekende drempelwaarde voor Raman-lasing kwam op ongeveer 140 milliwatt, en de gemeten waarde van 143 milliwatt kwam daar nauwkeurig mee overeen.

Meerdere materialen, meer mogelijkheden

De omzetting van invallend licht naar nieuwe frequenties gebeurde met een efficiëntie van meer dan 32 procent. De gegenereerde lichtkammen waren nog niet volledig coherent, maar de onderzoekers denken dat verdere aanpassingen dit kunnen verbeteren zonder de efficiëntie te verliezen. Het onderzoek laat zien dat de mantellaag van een chip, normaal een ondersteunende rol, ook een actieve bijdrage kan leveren. Dat opent de deur naar chips die meerdere materialen combineren, elk gekozen voor een specifieke taak, in plaats van te zoeken naar één materiaal dat alles kan. Dat zou kunnen leiden tot lichtbronnen met een nog breder spectrum en tot frequentiekammen die zichzelf kalibreren, rechtstreeks op een chip.