CRIT: hoe gekoppelde lichtresonatoren een venster in licht openen
Stel je twee bijna identiek gestemde stemvorken voor, vlak naast elkaar opgesteld maar zonder elkaar aan te raken. Sla de eerste aan, en bij de meeste tonen hoor je gewoon een trilling wegsterven. Maar bij één heel specifieke frequentie gebeurt er iets vreemds: de tweede stemvork vangt precies genoeg energie op en stuurt die zo terug, dat de eerste vork daar plotseling bijna stilvalt. Er ontstaat als het ware een klein \u2018gaatje\u2019 in het geluid, precies op die ene toon. Met licht kan iets vergelijkbaars gebeuren, en dat heet coupled-resonator-induced transparency, afgekort CRIT: door twee (of meer) piepkleine, nauwkeurig gemaakte optische \u2018resonatoren\u2019 \u2014 ringetjes of bolletjes waarin licht blijft rondcirkelen \u2014 dicht bij elkaar te plaatsen, ontstaat op één precieze golflengte een smal venster waardoor licht ongehinderd doorschijnt, terwijl het daar net naast juist wordt tegengehouden.
De naam is een knipoog naar een ouder verschijnsel uit de atoomfysica: electromagnetically induced transparency (EIT), waarbij een normaal ondoorzichtige wolk atomen met twee precies afgestemde laserbundels tijdelijk transparant wordt gemaakt voor licht van één bepaalde kleur. Dat berust op een subtiel kwantummechanisch interferentie-effect. CRIT bootst hetzelfde soort effect na, maar dan volledig met gewoon licht in piepkleine ringetjes van glas of silicium op een chip \u2014 zonder lasers, atomen of extreem lage temperaturen. Dat maakt het voor technische toepassingen aantrekkelijk: hetzelfde bruikbare neveneffect van EIT, namelijk sterk vertraagd licht rond dat smalle venster, is met CRIT op een eenvoudiger en beter op een chip te integreren manier te bereiken. In het artikel waar dit begrip in voorkwam, gaat het waarschijnlijk om precies dat: een bouwsteen voor fotonische chips die licht kunnen vertragen, filteren of extreem gevoelig kunnen meten.
Wat is het precies?
Een optische resonator is een structuur waarin licht van een heel specifieke golflengte blijft ronddraaien in plaats van weg te lopen. Denk aan een ringvormig kanaaltje van glas of silicium, zo klein dat het met het blote oog nauwelijks zichtbaar is: past de golflengte van het licht precies een geheel aantal keren in de omtrek van de ring, dan blijft het licht door totale interne reflectie eindeloos rondcirkelen. Dat heet resonantie.
Zo\u2019n ring wordt meestal gekoppeld aan een rechte \u2018golfgeleider\u2019, een soort optische snelweg op de chip die te vergelijken is met een piepkleine glasvezel. Licht dat door die golfgeleider reist en toevallig de resonantiegolflengte van de ring heeft, lekt gedeeltelijk de ring in en blijft daar hangen. Het gevolg: aan het eind van de golfgeleider komt op die golflengte minder licht uit dan erin ging. In een grafiek zie je dan een dip.
Het interessante gebeurt zodra je een tweede ring toevoegt, die niet direct aan de golfgeleider is gekoppeld, maar wel aan de eerste ring. Licht dat in ring één zit, kan nu gedeeltelijk overlekken naar ring twee, en van daaruit weer terug. Op precies de resonantiefrequentie interfereren die twee mogelijke lichtpaden zo met elkaar dat ze elkaar uitdoven: het licht kan per saldo niet meer in ring één blijven zitten en wordt teruggekaatst naar de golfgeleider, alsof de ring er ineens niet meer is. Zo ontstaat een smalle transparantiepiek middenin de bredere dip \u2014 het venster van CRIT.
Een belangrijk bijeffect is dat licht rond die smalle piek extreem gevoelig reageert op golflengteveranderingen: de brekingsindex verandert daar zeer snel, wat betekent dat licht er sterk wordt vertraagd. Dit staat bekend als \u2018slow light\u2019 of vertraagd licht. Hoe scherper en dieper de resonantie \u2014 uitgedrukt in de zogeheten kwaliteitsfactor of Q-factor, een maat voor hoe lang licht in een ring blijft rondgaan voordat het verloren gaat \u2014 hoe smaller het transparantievenster en hoe sterker het licht wordt vertraagd.
Wat wil men ermee bereiken?
Onderzoekers zien in CRIT een aantal praktische mogelijkheden. Ten eerste optische vertraging en buffering: licht tijdelijk \u2018vasthouden\u2019 op een chip zonder het om te zetten in een elektrisch signaal, wat nuttig kan zijn voor optische signaalverwerking en het synchroniseren van datapulsen in fotonische netwerken.
Ten tweede sensortoepassingen. Omdat het transparantievenster zo smal en gevoelig is, verschuift het al bij minieme veranderingen aan het oppervlak van de resonator \u2014 bijvoorbeeld doordat een molecuul zich daaraan bindt. Dat maakt CRIT-structuren in theorie bruikbaar als zeer gevoelige, label-vrije biosensoren, waarbij je geen fluorescerende merkstof nodig hebt om iets te detecteren.
Ten derde versterking van niet-lineaire optische effecten. Omdat licht lang in de resonatoren blijft rondcirkelen, wordt de lichtintensiteit daar lokaal hoog, wat zwakke niet-lineaire effecten (die normaal veel vermogen vereisen) versterkt. Dat opent perspectief op optische schakelaars die met weinig energie werken.
Tot slot is er de bredere ambitie van geïntegreerde fotonica: functies die vroeger alleen met atomen, lasers en vacuümapparatuur konden (zoals bij EIT) nu op een robuuste, goedkope en op een chip te fabriceren manier realiseren, bij kamertemperatuur en zonder bewegende delen.
Voorbeelden uit de praktijk
Het theoretische fundament werd gelegd door David Smith, Hong Chang, Kevin Fuller, Andrew Rosenberger en Robert Boyd, die in 2004 in het tijdschrift Physical Review A voorspelden dat gekoppelde optische resonatoren een EIT-achtig transparantievenster konden opleveren.
Een jaar later, in 2005, volgde een van de eerste experimentele demonstraties door Abdul Naweed, Gheorghe Farca, Susan Shopova en Andrew Rosenberger, met twee gekoppelde bolvormige resonatoren van gesmolten silica (fused silica), elk zo groot als een fijne zandkorrel.
Een veelgeciteerd voorbeeld op een fotonische chip kwam van de groep van Kerry Vahala aan het California Institute of Technology (Caltech): Qiang Xu, David Li (of vergelijkbare auteursnamen in de literatuur) en collega\u2019s demonstreerden rond 2006\u20132007 in Physical Review Letters een on-chip versie met microtoroidresonatoren \u2014 ringvormige structuren van siliciumdioxide met een zeer hoge Q-factor, gemaakt met technieken uit de halfgeleiderindustrie.
Daarnaast is er onderzoek naar vergelijkbare gekoppelde-resonatorstructuren in silicium, gebruikt om vertraagd licht (slow light) op standaard chipmateriaal te realiseren, onder meer door groepen die werken aan silicium-fotonica voor telecomtoepassingen.
In de jaren daarna zijn tientallen vervolgstudies gepubliceerd waarin CRIT-achtige structuren werden onderzocht voor optische filters, vertragingslijnen en biosensoren; over de precieze auteurs en instituten van elk van die latere studies bestaat in de vakliteratuur minder eenduidige consensus dan over de hierboven genoemde grondleggende werken.
Hoe ver is de techniek?
Het basisprincipe van CRIT is inmiddels twee decennia oud, goed begrepen en herhaaldelijk experimenteel bevestigd op uiteenlopende platformen: glazen microbolletjes, microtoroïden, silicium microringen en fotonische kristallen. Het is dus geen recente doorbraak, maar een gevestigd bouwblok binnen de fotonica.
Toch blijven er praktische obstakels. De twee (of meer) resonatoren moeten zeer nauwkeurig op elkaar zijn afgestemd, vaak tot ver binnen een nanometer aan golflengte, wat lastig te garanderen is bij massaproductie op een chip. Materiaalverliezen beperken de bereikbare Q-factor, en de resonantiefrequentie verschuift met temperatuur, waardoor vaak actieve verwarmings- of stabilisatie-elementen nodig zijn.
Ook is er een fundamentele afweging: hoe smaller het transparantievenster en hoe sterker de vertraging van het licht, hoe minder bandbreedte (dus hoeveel informatie per seconde) er tegelijk doorheen kan. Dit \u2018bandbreedte-vertraging-product\u2019 blijft een harde natuurkundige grens. Voor toepassingen als optisch geheugen concurreert CRIT bovendien met elektronische oplossingen die goedkoper en volwassener zijn. Daardoor wordt CRIT tot nu toe vooral gebruikt als onderzoeksplatform en in gespecialiseerde, kleinschalige sensortoepassingen; een brede, commerciële doorbraak als standaardonderdeel in bijvoorbeeld telecom- of AI-chips heeft nog niet plaatsgevonden.
Wie werken eraan?
Onderzoek naar CRIT en verwante gekoppelde-resonatorstructuren gebeurt vooral in academische fotonicagroepen wereldwijd. Historisch gezien speelden de groep van Andrew Rosenberger (destijds Oklahoma State University) en die van Kerry Vahala aan Caltech een grondleggende rol. Onderzoekers die zich bezighouden met silicium-fotonica en \u2018slow light\u2019, zoals de groep van Michal Lipson (voorheen Cornell University, tegenwoordig Columbia University), hebben verwante gekoppelde-resonatorconcepten verder ontwikkeld richting praktisch bruikbare chips.
Breder gezien maakt dit onderwerp deel uit van het internationale onderzoeksveld geïntegreerde fotonica, waarin universiteiten en onderzoeksinstituten in de Verenigde Staten, China en Europa (onder meer Nederland, Zwitserland en Duitsland) actief zijn, vaak met steun van nationale technologie- en kwantumtechnologieprogramma\u2019s. Commerciële siliciumfotonicabedrijven die chips maken voor datacenters en telecom bouwen op vergelijkbare microresonatortechnologie, al wordt CRIT als specifiek effect vooral in fundamenteel en toegepast onderzoek bestudeerd, en minder als kant-en-klaar commercieel product vermarkt.