Bragg-reflector: de spiegel gemaakt van laagjes licht
Een bragg-reflector is een spiegel die niet werkt zoals de spiegel in je badkamer, met een laagje metaal, maar met tientallen tot honderden flinterdunne laagjes doorzichtig materiaal op elkaar gestapeld. Elk laagje weerkaatst voor zich maar een piepklein beetje licht. Doordat de laagjes precies de juiste dikte hebben, tellen al die kleine reflecties bij elkaar op tot een bijna perfecte spiegel, maar dan alleen voor één specifieke kleur licht. Andere kleuren gaan er gewoon doorheen, alsof de spiegel voor hen niet bestaat.
Een bekende alledaagse vergelijking is een zeepbel of een olievlek op straat: die vertonen regenboogkleuren omdat licht wordt weerkaatst door twee grensvlakken van een dun laagje, die elkaar op sommige plekken versterken en op andere uitdoven. Een bragg-reflector is in feite een geraffineerde, opgeschaalde versie van datzelfde effect, met veel meer laagjes en een nauwkeurig ontworpen dikte, zodat het resultaat geen wisselende regenboogkleur is maar een doelbewust gekozen, scherp afgebakende reflectie. Deze structuren zitten verstopt in onder meer laserdiodes, glasvezelsensoren en de spiegels van zwaartekrachtsgolfdetectoren.
Wat is het precies?
De naam verwijst naar vader en zoon William Henry en William Lawrence Bragg, die in 1912-1913 ontdekten hoe röntgenstraling weerkaatst aan de regelmatige rijen atomen in een kristal. Hun wet, nλ = 2d·sinθ, beschrijft wanneer golven die aan opeenvolgende, periodiek herhaalde vlakken worden weerkaatst elkaar versterken. Voor dit werk kregen zij in 1915 de Nobelprijs voor Natuurkunde; William Lawrence Bragg was toen 25 jaar, tot op heden de jongste natuurkundig Nobelprijswinnaar ooit.
Een bragg-reflector past hetzelfde principe toe, maar dan niet op atomen in een kristal, en niet op röntgenstraling, maar op zichtbaar of infrarood licht in kunstmatig gebouwde laagjesstructuren. Je stapelt afwisselend een laagje met een hoge brekingsindex (licht wordt er sterk afgeremd) en een laagje met een lage brekingsindex. Brekingsindex is een maat voor hoe langzaam licht door een materiaal reist vergeleken met vacuüm; glas heeft bijvoorbeeld een hogere brekingsindex dan lucht.
Op elk grensvlak tussen de twee materialen wordt een klein beetje licht teruggekaatst, net zoals aan het oppervlak van een ruit. Normaal gesproken zouden al die kleine weerkaatsingen elkaar door toeval uitmiddelen. Maar als elke laag precies een kwart van de golflengte van het licht dik is (gecorrigeerd voor de brekingsindex), komen alle teruggekaatste golfjes in fase bij elkaar terug: ze versterken elkaar. Met genoeg laagjes loopt de totale reflectie op tot wel 99,9 procent of meer, voor licht binnen een smalle golflengteband die de stopband wordt genoemd. Licht met een andere golflengte valt buiten die resonantie en gaat grotendeels ongehinderd door de stapel heen.
Het resultaat is een spiegel zonder metaal, opgebouwd uit doorzichtige materialen als siliciumdioxide, tantaloxide of halfgeleiders zoals galliumarsenide en aluminiumgalliumarsenide. Omdat er geen metaal aan te pas komt, absorbeert de spiegel nauwelijks licht en kan hij extreem precies worden afgestemd op één golflengte, iets wat met een gewone metalen spiegel onmogelijk is.
Wat wil men ermee bereiken?
De aantrekkingskracht van een bragg-reflector zit in drie eigenschappen die je met een gewone spiegel niet krijgt: de reflectie kan extreem hoog zijn (verliezen van minder dan een miljoenste van het licht zijn haalbaar), de golflengte waarop hij reflecteert is nauwkeurig instelbaar door de laagdikte te kiezen, en de structuur kan microscopisch klein worden gemaakt en direct worden meegebakken in een halfgeleiderchip of een glasvezel.
Dat maakt bragg-reflectoren onmisbaar overal waar licht van één zeer specifieke kleur nodig is met minimaal verlies: in laserbronnen, in optische filters die één golflengte uit een bundel moeten uitpikken, en in meetinstrumenten die piepkleine veranderingen in licht willen detecteren. Omdat de structuur volledig vastligt in de gekozen laagdiktes, is de reflectie ook extreem stabiel en reproduceerbaar, iets wat cruciaal is in de telecommunicatie en in precisiemetingen.
Voorbeelden uit de praktijk
VCSEL-laserdiodes in smartphones (vanaf 2017). Een vertical-cavity surface-emitting laser is een piepklein laserlampje dat licht loodrecht uit een chip stuurt. Het licht wordt tussen twee bragg-spiegels van afwisselende galliumarsenide-lagen heen en weer gekaatst tot het sterk genoeg is om als laserlicht naar buiten te komen. Sinds de iPhone X in 2017 gebruikt Apple arrays van zulke VCSELs in de TrueDepth-camera om duizenden infrarode puntjes op een gezicht te projecteren voor Face ID; inmiddels passen tal van smartphonemerken vergelijkbare VCSEL-arrays toe voor gezichtsherkenning en afstandssensoren.
Fiber Bragg Gratings als sensoren. In 1978 ontdekte onderzoeker Kenneth Hill bij het Communications Research Centre in Canada dat je met licht een permanent bragg-rooster in de kern van een glasvezel kunt 'inbranden'. Zo'n vezelrooster reflecteert één specifieke golflengte, en die golflengte verschuift meetbaar als de vezel wordt uitgerekt of verwarmd. Dat maakt fiber Bragg gratings populair als sensor: ze zitten ingebouwd in de wieken van windturbines, in bruggen en tunnels, en soms in vliegtuigvleugels om rek, trilling en temperatuur continu te monitoren.
DFB-lasers in glasvezeltelecom. Distributed feedback-lasers hebben een bragg-rooster direct in de laserkern zelf ingebouwd in plaats van losse spiegels aan de uiteinden. Dat levert licht van een extreem zuivere, stabiele golflengte, precies wat nodig is om in glasvezelkabels tientallen datakanalen naast elkaar te versturen zonder dat ze elkaar storen. Deze lasers vormen al sinds de jaren tachtig de ruggengraat van lange-afstandsglasvezelnetwerken, inclusief onderzeese kabels.
Spiegels van de zwaartekrachtsgolfdetector LIGO. De testmassa's van LIGO, de Amerikaanse detector die in 2015 voor het eerst zwaartekrachtsgolven waarnam, dragen coatings van afwisselende, extreem zuivere laagjes silica en tantaloxide die als bragg-reflector fungeren. Deze coatings, mede ontwikkeld met het Laboratoire des Matériaux Avancés in Lyon, halen reflecties van meer dan 99,999 procent en zo weinig thermische ruis dat ze de gevoeligheid van het hele instrument mede bepalen.
Hoe ver is de techniek?
Als basisprincipe is de bragg-reflector allang geen nieuwigheid meer: de eerste toepassingen in halfgeleiderlasers dateren uit de jaren zeventig en tachtig, en VCSELs en DFB-lasers worden al decennia in miljoenenaantallen geproduceerd. In die zin is de techniek volwassen en industrieel volledig ingeburgerd.
Wat wel nog volop in ontwikkeling is, is de toepassing ervan in nieuwe combinaties. Fabrikanten proberen VCSEL-arrays goedkoper en krachtiger te maken voor gebruik in lidar-sensoren voor auto's en robots, waarbij grotere arrays en hogere vermogens nodig zijn zonder dat de bragg-spiegels te veel warmte vasthouden. In de siliciumfotonica, waar optische componenten worden meegebakken met gewone chipfabricageprocessen, wordt gezocht naar manieren om bragg-roosters compatibel te maken met goedkope massaproductie op silicium in plaats van dure III-V-halfgeleidermaterialen. En bij precisiemeetapparatuur zoals LIGO blijft de zoektocht doorgaan naar coatingmaterialen met nóg minder thermische ruis, omdat dat rechtstreeks bepaalt hoe zwak een zwaartekrachtsgolf nog waarneembaar is; opvolgers als Einstein Telescope en Cosmic Explorer, die nog in de ontwerpfase zitten, stellen nog strengere eisen aan die coatings.
De belangrijkste praktische obstakels zijn dus niet het basisprincipe, maar productie-uitdagingen: laagdiktes moeten op nanometer nauwkeurig worden aangebracht, materialen moeten extreem zuiver zijn om verliezen te vermijden, en voor elke nieuwe toepassing moet de balans tussen kosten, warmteafvoer en optische prestaties opnieuw worden gevonden.
Wie werken eraan?
Op het gebied van VCSELs en halfgeleiderlasers met bragg-spiegels zijn bedrijven als Lumentum, Coherent Corp (voortgekomen uit II-VI) en Trumpf Photonic Components grote industriële spelers, naast chipmakers als ams OSRAM die lichtsensoren en -bronnen voor consumentenelektronica leveren. Voor fiber Bragg grating-sensoren zijn gespecialiseerde bedrijven actief naast grote glasvezelproducenten.
Op onderzoeksgebied spelen Duitse Fraunhofer-instituten (onder meer voor telecommunicatie en toegepaste vaste-stoffysica) en Franse instituten als CEA-Leti en het III-V Lab een grote rol in de doorontwikkeling van fotonische chips met bragg-structuren. Op het terrein van precisieoptica voor fundamenteel onderzoek werkt het Laboratoire des Matériaux Avancés in Lyon nauw samen met de Amerikaanse LIGO-samenwerking en het Europese Virgo-project. Verder zijn universitaire onderzoeksgroepen in de Verenigde Staten, Duitsland, Frankrijk, Japan en in toenemende mate China actief in zowel de materiaalkunde als de toepassingen van bragg-reflectoren.