Gaatjes en Licht… voor een sneller Internet

Het Internet speelt een steeds belangrijkere rol in de Westerse maatschappij. De explosieve groei van het dataverkeer in het laatste decennium illustreert dit. Webpagina’s raadplegen of e-mails versturen zijn voor velen een dagelijkse routine. Hoewel de economische hype als een zeepbel uiteen is gespat, blijft de technologische vooruitgang niet stilstaan.

Bij de huidige telecommunicatiesystemen wordt de uitgewisselde informatie in de vorm van lichtpakketjes door een glasvezel gestuurd. De systemen die deze lichtpakketjes verwerken, worden steeds kleiner. Men tracht zoveel mogelijk functionaliteit op eenzelfde optische chip te plaatsen. Op deze manier kan men de kosten drukken en heeft men ook minder moeilijkheden bij de verpakking van de optische componenten. Bij deze miniaturisatie streeft men naar de ultieme mijlpaal: de kleinste structuren hebben daarbij afmetingen die vergelijkbaar zijn met de golflengte van het gebruikte licht. Voor toepassingen in de telecommunicatie is dat 1,5 micrometer - of anderhalve keer een duizendste van een millimeter. Hoe kunnen we het licht op deze kleine lengteschaal manipuleren? Verschillende onderzoeksgroepen over de hele wereld houden zich met deze fundamentele vraag bezig. Een concept dat steeds terugkeert is dat van de fotonische kristallen. Ook de OPTO-groep van de vakgroep INTEC aan de Universiteit Gent is actief bij dit onderzoek betrokken.

Fotonische Kristallen

De interactie van licht met een materiaal wordt in grote mate beheerst door de brekingsindex van dat materiaal. Met een goed gekozen combinatie van materialen met een verschillende brekingsindex kan men het gedrag van licht manipuleren. Een bekend voorbeeld is een lens: het glas heeft een hogere brekingsindex dan de omringende lucht en kan gebruikt worden om een lichtstraal om te buigen. Minder bekend zijn de fotonische kristallen: deze bestaan uit een periodieke opeenvolging van materialen met een verschillende brekingsindex. Het bijzondere aan zulke structuren is dat licht van de gepaste golflengte er niet doorheen kan. Dit kan men het best begrijpen aan de hand van de schematische weergave. Een lichtgolf valt in op een aantal opeenvolgende lagen met verschillende brekingsindex. Aan elk grensvlak wordt de golf gedeeltelijk gereflecteerd, zoals dat ook gebeurt met licht dat op een wateroppervlak invalt. Als deze reflecties mooi in de pas lopen – men zegt dat ze in fase zijn – versterken ze elkaar. In dat geval verliest de invallende golf per periode een deel van zijn energie en deint hij uit in het fotonisch kristal. Het golflengtebereik waarin dit optreedt, noemt men de fotonische verboden zone. Voor licht met een golflengte die niet in deze zone ligt, zijn de reflecties niet in fase en heffen ze elkaar op. Dit mechanisme werkt enkel efficiënt voor een golf die loodrecht op de laagstructuur invalt. Om het licht in alle richtingen te reflecteren, moeten we een structuur maken waarvan de brekingsindex in alle richtingen varieert. In theorie werkt dit perfect, maar in de praktijk blijkt het moeilijk te zijn om zulke structuren te maken. Daarom nemen de meeste onderzoekers hun toevlucht tot tweedimensionale fotonische kristallen. Dit kan bijvoorbeeld door een ‘bos’ van evenwijdige paaltjes op te richten die op een regelmatige afstand van elkaar staan. Even goed kan men gaatjes maken in een bestaande laag, en dit is wat wij hebben gedaan.

We maken dus een geperforeerde laag waarin licht van de gepaste golflengte niet kan propageren. Hoe kunnen we deze structuur nu gebruiken in telecommunicatiesystemen? Een optische chip heeft kanalen – golfgeleiders – nodig waarlangs de lichtpakketjes van de ene naar de andere plaats kunnen bewegen. Het ligt voor de hand hoe we zo’n golfgeleider in onze structuur kunnen maken: we laten gewoon een rij gaatjes weg. De golfgeleider die zo ontstaat, is langs beide kanten omgeven door een fotonisch kristal en het licht kan daar niet door weglekken. Door de gaatjes weg te laten in een andere richting, kunnen we een abrupte bocht maken. Ook hier kan het licht niet weglekken en wordt het gedwongen de bocht te volgen. Deze scherpe bochten komen goed van pas als je een compacte optische chip wil maken. Er zijn nog tal van andere toepassingen. Men kan bijvoorbeeld één enkel gaatje weglaten. Op die manier kunnen we het licht in een zeer nauwe ruimte opsluiten. Dit komt goed van pas als je een compacte en efficiënte laser wil maken.

Fabricage

In mijn eindwerk lag de nadruk op het ontwerp van dergelijke golfgeleiders. Wat is de ideale grootte van de gaatjes? Hoe ver moeten ze van elkaar staan? Is er geen andere mogelijkheid dan een rij gaatjes weg te laten? Deze en andere vragen hebben we aangepakt aan de hand van computersimulaties. De meest beloftevolle ontwerpen werden in het kader van een Europees project gefabriceerd in het Interuniversitair Micro-Elektronica Centrum (IMEC) te Leuven. Dit is één van de grootste onafhankelijke Europese onderzoekscentra op het gebied van micro-elektronica, nanotechnologie, en andere. De fotonische kristallen werden er gefabriceerd aan de hand van lithografie met diep UV (ultra-violet) licht. Bij dit zeer geavanceerde proces wordt eerst een lichtgevoelige lak op het basismateriaal gedeponeerd. Daarna wordt deze laag belicht met ultra-violet laserlicht, waarbij het licht geconcentreerd wordt op de plaatsen waar de gaatjes moeten komen. Wanneer de lak wordt ontwikkeld, blijft enkel het niet-belichte gedeelte over. Op die manier worden in de volgende stap enkel de gaatjes weggeëtst. Dit fabricageproces leent zich op termijn zeer goed voor massaproductie. Er worden trouwens al geavanceerde computerchips mee gemaakt.

De grote vraag blijft nu natuurlijk of deze fotonische kristallen ook in de praktijk werken. We namen de proef op de som en koppelden laserlicht in de golfgeleiders. Dit lijkt makkelijker dan het is. Het laserlicht komt uit het spitse uiteinde van een glasvezel en moet terechtkomen in de golfgeleider die amper één micrometer breed is. Deze alignatie vergt wel enige handigheid. De kwaliteit van de golfgeleiders kan men meten door het licht op te vangen dat er aan de andere kant uitkomt. De resultaten tonen aan dat het licht duidelijk door de golfgeleiders loopt. Ook wanneer het door twee bochten wordt gedwongen. Toch kunnen we  de structuren nog niet onmiddellijk gebruiken in een optische chip. Aangezien we gebruik maken van een tweedimensionaal fotonisch kristal kan het licht naar boven en onder weglekken. Met een gepast ontwerp van de golfgeleider kunnen we dit lek theoretisch dichten, maar in de praktijk is dat wat moeilijker doordat gefabriceerde structuren altijd oneffenheden vertonen waaraan het licht verstrooid wordt. Dit kan alleen worden verholpen met nog betere productieprocessen. Deze worden volop ontwikkeld in IMEC.

Toekomstvisie

De basiscomponenten – golfgeleiders, lichtbronnen, versterkers , ea. – moeten op langere termijn hun plaats vinden in een volledig geïntegreerde opto-elektronische chip. Op zulk een chip worden hedendaagse elektronische componenten gecombineerd met de optische componenten die nu in ontwikkeling zijn. Deze chips beloven telecommunicatiesystemen met een nooit geziene capaciteit tegen een lage kostprijs. Sommige onderzoekers geloven zelfs dat deze integratie een even grote impact op de samenleving zal hebben als de ontwikkeling van de computersystemen vanaf de jaren ’60. Er zijn inderdaad vele gelijkenissen met die revolutie maar tot nog toe blijft het wachten op commerciële systemen. Die komen er waarschijnlijk binnen twee tot drie jaar.

Meer Weten?

Een overzicht van het onderzoek op het gebied van opto-elektronica en fotonica aan de Universiteit Gent vindt u op www.intec.rug.ac.be/groupsites/opto.