Doorbraak: honderd keer sterker UV-licht op fotonische chips

Onderzoekers aan de Universiteit Twente (UT) en Harvard University hebben een belangrijke stap gezet richting krachtigere en praktisch toepasbare fotonische chips. Zij ontwikkelden een nieuwe methode om ultraviolet (UV)-licht direct op een chip te genereren. Voor het eerst levert deze techniek UV-licht met een vermogen op milliwatt-niveau. Dit is voldoende voor toepassingen in de praktijk, zoals kwantumtechnologie, optische atoomklokken en uiterst precieze meetsystemen. De UT-spin-off Sabratha, brengt deze chiptechnologie naar de markt voor telecom- en draadloze toepassingen. 

Geïntegreerde lichtbronnen vormen de basis van veel moderne technologie. Zo wordt data via glasvezels verzonden met infraroodlicht. Maar geavanceerdere toepassingen, zoals sensoren op moleculair niveau en kwantumcomputers, vereisen kortere golflengten, zoals UV-licht. Tot nu toe was het echter moeilijk om dergelijk licht van hoge kwaliteit op chips te produceren. Zoals onderzoeker en CEO van Sabratha Kees Franken aangeeft, vraagt elke toepassing om een specifieke “kleur” licht, en juist bij korte golflengten schoten bestaande chiptechnologieën tekort.

Van rood naar UV-licht

De doorbraak is gebaseerd op een slim conversieproces. De onderzoekers beginnen met rood licht, dat al relatief eenvoudig op een chip te genereren is. Vervolgens zetten ze dit om in UV-licht via een proces waarbij twee rode fotonen worden samengevoegd tot één UV-foton met hogere energie. Hoewel dit principe al bekend was, leverde het op chips tot nu toe slechts minimale lichtintensiteit op. Met deze nieuwe aanpak wordt de opbrengst ongeveer honderd keer groter, tot een praktisch bruikbaar niveau.

Een bijzonder materiaal en extreme precisie

De sleutel tot dit succes ligt in een materiaal genaamd dunnefilm-lithiumniobaat (TFLN), dat bekend staat om zijn uitzonderlijke optische eigenschappen. Simpel gezegd is een TFLN als een supersnelle, goed aangelegde en soepel lopende snelweg zonder kuilen of verkeer. Met dit materiaal maakten de onderzoekers een nanoschaalgolfgeleider, een structuur die licht nauwkeurig en snel geleidt en opsluit op de chip.

Wat hun ontwerp uniek maakt, is de extreme mate van controle. De golfgeleider, bijna twee centimeter lang, werd met zeer hoge precisie in kaart gebracht; tot op slechts enkele tientallen atoomdiameters. Langs de structuur zijn duizenden kleine elektroden geplaatst, elk specifiek afgestemd op de exacte vorm van de golfgeleider op dat punt.

Door afwisselend spanning aan en uit te zetten op de elektroden, creëren de onderzoekers een patroon in de kristalstructuur van het materiaal. Dit zijn tot wel duizend veranderingen per millimeter. Dit patroon maakt de efficiënte omzetting van rood naar UV-licht mogelijk. In tegenstelling tot eerdere ontwerpen, waarbij elektroden op afstand zaten, liggen ze hier direct op de golfgeleider, wat de efficiëntie verder aanzienlijk verhoogt.

UV-chip als sleutel voor opschaling kwantumtechnologie

Een van de grootste uitdagingen in velden zoals kwantumcomputing en optische atoomklokken is schaalbaarheid: de stap van complexe laboratoriumopstellingen naar robuuste, breed inzetbare systemen. Momenteel zijn deze technologieën sterk afhankelijk van grote, specialistische lasersystemen, waarvan het ontwerp, de stabilisatie en integratie jaren kunnen duren. Daardoor kan het opschalen naar praktische toepassingen of grotere systemen gemakkelijk tien jaar of langer in beslag nemen.

De integratie van UV-licht direct op een chip biedt hiervoor een veelbelovende oplossing. Door zulke lichtbronnen te miniaturiseren, kunnen complexe optische opstellingen plaatsmaken voor compacte, massaproducteerbare chips. Dit maakt systemen niet alleen eenvoudiger en betrouwbaarder, maar ook beter schaalbaar.

Daarmee is UV-licht op chips een cruciale ontwikkeling voor toepassingen die afhankelijk zijn van uiterst nauwkeurige lichtcontrole, zoals kwantumcomputing, spectroscopie en geavanceerde tijdsystemen. Bovendien opent deze technologie de deur naar gebruik in de ruimte: doordat fotonische chips klein zijn, nauwelijks opwarmen en weinig energie verbruiken, zijn ze bijzonder geschikt voor integratie in satellieten en andere ruimteplatforms.