Wat zijn de recente ontwikkelingen en toekomstige perspectieven in de nanofotonica?

Nanofotonica, een relatief jong vakgebied binnen de toegepaste natuurkunde, heeft de afgelopen twee decennia aanzienlijke vooruitgangen geboekt door de combinatie van verschillende wetenschappelijke disciplines, zoals gecondenseerde-materie-fysica, optica en kwantumveldtheorie. In deze context wordt de zoektocht naar manieren om fotonische apparaten op nanometerschaal te integreren steeds urgenter. De toenemende vraag naar ultrahoge-snelheid, grootschalige signaalverwerking en informatieoverdracht vereist een substantiële verkleining van de fotonische apparaten. Deze miniaturisatie is nodig om zowel de snelheid als de capaciteit van signalen die via licht worden overgedragen te vergroten.

Een van de belangrijkste ontwikkelingen in de nanofotonica is het gebruik van optische nabijvelden, een technologie die werd voorgesteld door M. Ohtsu in 1993. Dit fenomeen maakt het mogelijk om de elektromagnetische velden te verkleinen tot afmetingen die de diffractielimiet van gewone lichtgolven overschrijden, wat leidt tot nieuwe mogelijkheden voor fotonische systemen en apparaatintegratie. Door deze verkleining kunnen fotonische apparaten niet alleen fysiek kleiner worden, maar kunnen ze ook nieuwe functies en fenomenen mogelijk maken die anders onbereikbaar zouden blijven met conventionele optische technologieën.

Het werk in nanofotonica heeft zich niet alleen gericht op de theoretische aspecten van optische nabijvelden, maar ook op de praktische toepassingen, zoals de ontwikkeling van nanometergrote fotonische apparaten, het verbeteren van fabricagetechnieken met nanometerresolutie, en het ontwikkelen van energieconversiesystemen en informatieverwerkingssystemen op nanoschaal. Deze innovaties worden ondersteund door zowel fundamenteel als toegepast onderzoek, en ze dragen bij aan de vooruitgang in de ontwikkeling van technologieën die energie-efficiënter en sneller zijn dan de huidige systemen.

De technologieën die uit de nanofotonica voortkomen, kunnen niet alleen de manier waarop we fotonische apparaten bouwen veranderen, maar ook de basis leggen voor nieuwe wetenschappelijke benaderingen die ons begrip van licht, materie en energie kunnen revolutioneren. Dit biedt nieuwe kansen voor zowel theoretische als praktische wetenschappen, met veelbelovende vooruitzichten voor de integratie van fotonische technologieën in bredere technische systemen.

Het ontwikkelen van nanofotonische technologieën vereist echter niet alleen het overwinnen van technische uitdagingen op het gebied van miniaturisatie, maar ook een diepgaande kennis van de fysische processen die zich afspelen op de nanoschaal. Deze kennis is essentieel voor het ontwerp van fotonische apparaten die in staat zijn om nieuwe, onontdekte verschijnselen te benutten. Het blijft daarom belangrijk om zowel de fundamentele wetenschappelijke principes als de praktische toepassingen van nanofotonica verder te verkennen.

Voor de toekomst van nanofotonica is het essentieel dat wetenschappers zich blijven concentreren op het ontwikkelen van nieuwe materialen die nog beter reageren op de eisen van deze technologieën. Dit kan bijvoorbeeld de ontwikkeling van nanomaterialen die licht kunnen genereren, manipuleren of detecteren op ongekende manieren omvatten, evenals nieuwe technieken voor het fabriceren van fotonische apparaten met nanometerresolutie.

Het onderzoek in nanofotonica is ook nauw verbonden met de vooruitgang in andere vakgebieden, zoals kwantumcomputing en opto-elektronica. De synergie tussen deze gebieden zal waarschijnlijk de weg banen voor de ontwikkeling van volledig nieuwe technologieën, waaronder de integratie van nanofotonica in quantumcomputers en geavanceerde optische netwerken. Deze ontwikkelingen kunnen een revolutie teweegbrengen in zowel de rekenkracht als de snelheid van communicatiesystemen wereldwijd.

Nanofotonica biedt dus veel meer dan alleen een antwoord op de vraag naar kleinere en snellere apparaten. Het opent de deur naar een hele nieuwe wereld van mogelijkheden die voorheen ondenkbaar waren binnen de conventionele fysica van licht en elektromagnetisme. Daarom blijft het belangrijk voor wetenschappers en ingenieurs om verder te gaan met het verkennen van de nanofotonische ruimte, om zo een solide basis te leggen voor de toekomstige technologische innovaties die het dagelijks leven van mensen wereldwijd zullen beïnvloeden.

Hoe Stimulated Raman Scattering de Toekomst van Siliconen Lasers Vormt

Ramanverplaatsing en de intensiteit van de spectrale pieken geven waardevolle informatie over de eigenschappen van materialen zoals silicium. Bij kamertemperatuur en een zwakke excitatie-intensiteit van 0,5 mW, levert een typische meting van bulk silicium een Ramanverplaatsing van 520,5 cm−1 op. Dit is een bekende waarde voor silicium, hoewel de breedte van de piek, gemeten als de volledige breedte bij halve maximale intensiteit (FWHM), varieert afhankelijk van de gebruikte apparatuur en meettechnieken. Zo werd in 1967 een waarde van 520,2 ± 0,5 cm−1 gemeten, met een FWHM van 4,6 cm−1. De variaties in FWHM komen voort uit de verschillende meetopstellingen, wat benadrukt dat zelfs kleine veranderingen in apparatuur de Ramanverplaatsing kunnen beïnvloeden. In silicium-on-insulator (SOI) substraten komt bovendien een lichte spanningsinvloed voor, die de Ramanverplaatsing met ongeveer 0,1 cm−1 kan verschuiven.

De eerste Ramanlaser werd in 1962 gedemonstreerd, met gebruik van een robijnlaser die nitrobenzeen exciteerde. Sindsdien zijn Ramanlasers in verschillende materialen aangetoond. Het principe van een klassieke Ramanlaser bestaat uit een resonator waarin een Raman-gain medium is geplaatst, dat wordt geëlektrificeerd door een externe lichtbron. Deze opstelling zorgt ervoor dat zowel de pomplicht als de geproduceerde Ramanlichtfrequentie binnen de resonator worden vastgehouden, wat resulteert in een gestimuleerde Ramanverstrooiing en het ontstaan van laserlicht met de Ramanfrequentie.

De voordelen van Raman-siliciumlasers zijn opmerkelijk. Ten eerste kunnen ze over een breed golflengtebereik oscilleren, variërend van 1,20 tot 1,68 µm, met een enkele chip die tunable oscillaties tussen 1,33 en 1,84 µm mogelijk maakt. Daarnaast heeft de Raman-siliciumlaser een veel hogere side mode suppression ratio (SMSR) dan conventionele halfgeleiderlasers. Dit komt doordat de Ramanverplaatsing van silicium zo groot is als 15,6 THz, waardoor de bijdrage van het excitatie licht aan achtergrondruis vrijwel wordt geëlimineerd. De efficiëntie van spontane Ramanverstrooiing, die normaal gesproken bijdraagt aan ruis, is in silicium meer dan vijf ordes van grootte lager dan die van gestimuleerde Ramanverstrooiing.

De derde aantrekkelijke eigenschap is de mogelijkheid van cascade-laseroscillatie, wat betekent dat nabij-infraroodpomplicht kan worden omgezet naar golflengtes in het midden-infrarood. Dit opent nieuwe mogelijkheden voor toepassingen die afhankelijk zijn van een breed scala aan golflengten. De nadelen van Ramanlasers, zoals de grote apparaatgrootte en de hoge drempelwaarde voor oscillatie, blijven echter bestaan. Bijvoorbeeld, de eerste continue golf glasvezel-Ramanlaser vereiste meer dan 10 meter silica vezel en een oscillatiedrempel van ongeveer 3 W.

Wat betreft Raman-siliciumlasers op basis van rib-golfgeleiders, werd gestimuleerde Ramanverstrooiing in silicium voor het eerst gemeld in 1970. De Ramanversterkingscoëfficiënt voor silicium is aanzienlijk hoog (10-70 cm/GW), wat het veel effectiever maakt dan materialen zoals silica vezel. In de jaren '90 leidde de vooruitgang in de siliciummicrofabricagetechnologie tot de ontwikkeling van siliconen rib-golfgeleiders met lage verliezen. Het gebruik van silicium met een hoge brekingsindex maakt het mogelijk om de dwarsdoorsnede van golfgeleiders te verkleinen, waardoor niet-lineaire optische effecten versterkt worden.

Het verdere verkleinen van de afmetingen van siliciumlasers is cruciaal voor de integratie van opto-elektronische siliconen chips, die de technologieën van zowel optische als elektronische circuits aanzienlijk kunnen verbeteren. Een resonator van een paar centimeter, zoals die in de getoonde configuratie, is echter te groot voor gebruik in opto-elektronische integratie. Daarom moeten nieuwe oplossingen worden gevonden om deze componenten verder te verkleinen, terwijl de prestaties behouden blijven.