Onderzoekers van de Universiteit Twente zijn erin geslaagd om optisch gegenereerde geluidsgolven effectief op te sluiten in een standaard silicium fotonische chip. Deze ontdekking, onlangs gepubliceerd in APL Photonics, opent de deur naar nieuwe toepassingen op het gebied van radiotechnologie, kwantumcommunicatie en optische computing.
Licht beweegt razendsnel, terwijl geluidsgolven juist aanzienlijk trager reizen. Door deze interactie te sturen via een natuurkundig fenomeen genaamd gestimuleerde Brillouin-verstrooiing (SBS), kunnen wetenschappers innovatieve methoden ontwikkelen om informatie efficiënter op te slaan en te filteren binnen een chip. Dit kan grote voordelen opleveren voor onder andere ultrasnelle radiocommunicatie en kwantumtechnologie.
Het opsluiten van geluidsgolven in fotonische chips van silicium bleek tot nu toe echter een enorme uitdaging. Dit komt doordat geluid doorgaans ontsnapt naar de onderliggende siliciumoxidelaag, wat de effectiviteit van het systeem aanzienlijk vermindert. Tot nu toe werd geprobeerd dit probleem op te lossen door de siliciumstructuren te verhogen, maar die methode bleek complex en mechanisch instabiel.
Innovatieve oplossing: grotere siliciumstructuren
Het onderzoeksteam onder leiding van David Marpaung koos voor een andere aanpak. In plaats van bestaande technieken te verbeteren, vergrootten ze de siliciumstructuren drastisch. Door gebruik te maken van golfgeleiders die honderd keer groter waren dan de traditionele nanodraden van silicium, wisten ze geluidsgolven effectief binnen de chip te houden, zonder de compacte vormfactor van de chip op te offeren.
Kaixuan Ye, hoofdauteur van de studie en promovendus in Marpaungs onderzoeksgroep, legt uit: “Deze golfgeleiders, ontwikkeld door VTT Finland, waren precies wat we nodig hadden. Dankzij hun grotere afmetingen kunnen we geluidsgolven beheersen op een manier die voorheen simpelweg niet mogelijk was.”
Schaalbaarheid en industriële toepassingen
Ondanks de grotere golfgeleidergrootte blijven de nieuwe silicium fotonische chips verrassend compact. Een complete schakeling met meterslange golfgeleiders kan nog steeds binnen een enkele vierkante centimeter worden geïntegreerd. Dit maakt de technologie uitermate geschikt voor grootschalige productie en compatibel met bestaande halfgeleidertechnieken.
Marpaung benadrukt de lange weg die aan deze doorbraak voorafging: “Dit project vereiste bijna tien jaar aan onderzoek en internationale samenwerking. Dankzij de samenwerking met VTT Finland en onze voortdurende technische verfijningen hebben we eindelijk een oplossing gevonden binnen een standaard siliciumplatform.”
Deze ontdekking betekent een belangrijke uitbreiding van de functionaliteiten van siliciumfotonica, een technologie die al breed wordt ingezet voor optische computers en communicatiesystemen. De mogelijkheid om geluidsgolven te geleiden met extreem hoge frequenties tot bijna 40 GHz brengt nieuwe mogelijkheden voor draadloze communicatie en kwantumtechnologieën met zich mee.
