Nanofotonisk chip gør lyset langsomt

tirsdag 20 sep 05
|

I 1999 blev den danske Harvard fysikprofessor Lene Hau verdensberømt på at bremse lysets hastighed. Nu har en forskergruppe på COMDTU gentaget kunststykket. Denne gang bremses lyset ikke i en avanceret forsøgs-opstilling, men i en silicium-baseret nanofotonisk chip fabrikeret i DANCHIPs rentrum. Den nye chip leder lyset i en speciel type bølgeleder, en såkaldt fotonisk krystalbølgeleder. Teknologien tegner lovende for blandt andet udviklingen af optiske systemer til brug i tele- og datakommunikation samt i kompakte optiske sensorer.

Vi er i slusen til DANCHIPs 1000 m2 store rentrum. Ph.d. studerende Lars Hagedorn Frandsen og adjunkt Jacob Fage-Pedersen er ved at iføre sig de blå heldragter. De står på den `beskidte´ side af rummet, hvor end ikke dragtens bukseben må røre gulvet. De to demonstrerer den helt specielle teknik, som kræves for at få antrækket på. De balancerer på ét ben, mens det andet føres ned i dragten. Hætten trækkes over hovedet og stoppes godt ind under heldragten inden der lynes til. Ovre på den `rene´ side ruller de hver især et par månestøvler op, som snøres til under knæene. Til allersidst tager de et par handsker på. På nær ansigtet, så er intet hud nu blottet. Rentrummet skal, som navnet antyder, holdes usandsynligt rent. Alt der støver, er bandlyst, og derfor må forskerne blandt andet skrive forskningsnotater ned med tudser på lamineret papir.

 

”Vi skal nu i gang med at fabrikere et forbedret design af chippen. Selve bølgelederen er baseret på en fotonisk krystal, som er en slags kunstig krystal. De små lufthuller, som vi ætser ned i materialet kommer til at virke som en fast gitterstruktur med et bestemt og meget bølgelængdeafhængigt brydnings­indeks. Det er det, vi kan udnytte. Lige nu er vi på vej ind i rentrummet for at bearbejde det maskemateriale, som vi allerede har lagt ovenpå siliciumskiven. Med DANCHIPs nye avancerede elektronstrålekanon kan vi optegne og definere mønstre meget præcist på chippen. De huller vi laver, kan have en størrelse på under 100 nm. Det svarer til 1/1000 af diameteren på et hår”, fortæller Lars Hagedorn Frandsen.

 

Med et andet design har forskergruppen allerede vist, at lyset kan bremses med en faktor 200 i forhold til hastigheden i vakuum. Lys igennem silicium bremses normalt ellers med en faktor 3½, der er brydningsindekset for materialet.

 

”Teoretisk set er der ikke nogen grænse for hvor meget man kan bremse lyset. Det handler om at designe chippens krystalbølgeleder på den helt rette måde, så man kan styre og manipulere lyset. Indtil videre er det bare os og et par andre forskergrupper i verden, der har kunnet måle så langsomt lys i krystalbølgeledere af den her art”, forklarer Jacob Fage-Pedersen.

 

Mindre og bedre optiske komponenter

At lyset er langsommere betyder, at den tid, lyset vekselvirker med materialet, øges, når det udbreder sig igennem bølgelederen. Den nedsatte lyshastighed gør det muligt at fabrikere integrerede optiske komponenter som kontakter, fordelere, detektorer og sensorer i miniature størrelser. Ved at gøre lyset 10-100 gange langsommere, kan man tilsvarende lave optiske komponenter 10-100 gange mindre og stadig opnå samme effekt. Dermed vil det blive langt nemmere at integrere mange funktionaliteter med høj stabilitet på samme chip.

 

”At kunne integrere optisk og elektronisk signalbehandling på samme silicium chip ligger sandsynligvis lige rundt om hjørnet. Mindre betyder også billigere, og at vi bruger silicium har en vis kommerciel betydning. Det er verdens mest anvendte materiale til elektroniske chips, så topmoderne produktions­faciliteterne står allerede klar til at producere de her chips.”, forklarer Lars Hagedorn Frandsen.

 

Ved at sende lyssignaler igennem en fotonisk krystalbølgeleder med en længde på bare en brøkdel af en millimeter vil man desuden kunne indsnævre eller udvide en lyspuls. En sådan effekt kan bruges til at forme et signal i et kompakt laser system. Hvor man ellers i dag gør brug af et langt stykke optisk fiber i systemet, så vil man i fremtiden kunne nøjes med at indsætte en fotonisk krystalbølgeleder på en lille chip, der samtidigt kan foretage den nødvendige signalbehandling.

 

”Af de mere kuriøse muligheder, så er delay-lines, hvor man forsinker sit optiske signal, indtil der er brug for det, et andet eksempel. Og i en noget fjernere fremtid kan effekten måske endda anvendes til optisk RAM - altså optisk hukommelse”, fortæller Lars Hagedorn Frandsen.

 

Arbejdet går videre

Tilbage i rentrummet er forskerne ved at gøre elektronstrålekanonen klar. Endnu er der nogle udfordringer med designet, som skal tackles, og det kræver grundigt arbejde og teamwork. Forskergruppen skal have styr på det udbredelsestab, der opstår når lyset bliver langsomt. Til det formål har lektor Andrei Lavrinenko udviklet en ny beregningsmetode, der allerede har vist sig meget pålidelig, men som skal efterprøves videre i det kommende forløb. Den nye chip simuleret med metoden er nu ved at blive fabrikeret. Chippen skal derefter testes i laboratoriet med en særlig følsom målemetode, som er udviklet af Ph.d.-studerende Rune Jacobsen. Målemetoden har gjort det muligt at måle lyshastigheden i en optisk bølgeleder, og den er succesfuldt blevet anvendt af flere eksamensprojektstuderende, som har bidraget med forskningsresultater.

 

”Antallet af bølgelængder i chippen, som vi kan bruge til at sende langsomt lys, er noget andet, vi skal forbedre. Idag  er det kun få bestemte bølgelængder der oplever bølgelederens unikke egenskaber og løber langsomt. Kommercielt går det ikke an. I optiske systemer skal man kunne sende datasignaler i forskellige kanaler, og hver kanal svarer typisk til en bestemt bølgelængde”, forklarer Jacob Fage-Pedersen.

 

”Prisen, vi betaler for at få flere bølgelængder igennem chippen, er at lave et design, som bremser lyset knapt så meget som det, vi har vist kunne lade sig gøre. Men vi vil stadigvæk kunne lave meget små komponenter”, konstaterer Lars Hagedorn Frandsen.

 

Åbent hus

Forskergruppen holder åbent hus for nysgerrige studerende, som har lyst til at snuse til det nanofotoniske forskningsområde og se hvordan der arbejdes i rentrummet og i test-laboratoriet. Det sker: Onsdag d. 12/10 kl. 16 med mødested i bygning 345v, receptionen. Kontaktperson: Adjunkt Peter Borel, pib@com.dtu.dk

 

Fakta om nanofotoniske chips

”Nøjagtig som man på en elektronisk chip styrer elektroner rundt, så styrer man på en fotonisk chip lys rundt i bølgeledere, som er fabrikeret på chippens overflade. På chippen kan man integrere mange optiske funktioner på en kompakt, billig og robust måde. I det danske PIPE-projekt (Planar Integrated PBG Elements) benytter vi et såkaldt fotonisk båndgab til at bestemme lysets retning og hastighed på en silicium-chip. Båndgabet er en interferens-effekt, som skyldes små lufthuller, der er placeret periodisk på chippen. Materialet med den periodiske struktur kaldes for en fotonisk krystal”, forklarer COM projektleder Peter I. Borel.

 

PIPE er et samarbejde mellem COMDTU, Aarhus universitet og Aalborg Universitet. Projektet løber over 5 år og er støttet af Forskningsrådet for Teknologi og Produktion. Hjemmeside: http://pipe.com.dtu.dk/