Een optische hoogvermogenversterker voor micro-apparaten

De krachtversterker (Afbeelding: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen) / (Afbeelding: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen)

Onderzoekers van DESY hebben een millimeterklein hoogvermogenversterker gerealiseerd met meer dan één watt uitgangsvermogen op siliciumgebaseerde optische microchips. Dit uitgangsvermogen is een veelvoud van wat tot nu toe op deze kleine schaal mogelijk was en maakt het gebruik van on-chip-versterkers met hoog vermogen in de zin van geïntegreerde fotonica mogelijk, in plaats van externe versterkers. Zo zouden miniaturiseerde apparaten en sensoren veel eenvoudiger en goedkoper kunnen worden bedreven dan voorheen, zoals bijvoorbeeld in medische chirurgie, laser-remote sensing, telecommunicatie, maar ook in optische schakelingen voor toekomstige versnellerinstallaties en röntgenbronnen, die steeds vaker worden toegepast. De onderzoekers hebben nu experimenteel bevestigd dat deze zeer compacte hoogvermogenversterkers mogelijk zijn, zoals ze berichten in het tijdschrift Nature Photonics.

Hoogvermogenversterkers zijn kritische componenten in moderne optische systemen. “Om ze breder in te zetten, moeten dergelijke systemen zeer klein zijn, vergelijkbaar met micro-elektronica – bij voorkeur in de millimeterbereik – zonder dat ze minder vermogen leveren,” zegt de eerste auteur van de studie Neetesh Singh, die werkt in de DESY-groep voor ultrakorte laser- en röntgenfysica aan het Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). De miniaturisering stuit echter op grenzen, omdat een optisch systeem naarmate het kleiner is, minder energie kan opslaan en vermogen kan leveren. Tot nu toe is het niet gelukt om dergelijke kleine optische hoogvermogenversterkers te bouwen die op een microchip kunnen worden geïntegreerd. In plaats daarvan zijn dergelijke microsystemen tot nu toe afhankelijk van externe, veel grotere benchtop-versterkers.

In de nieuwe studie heeft het team onder leiding van Singh echter voor het eerst een zogenaamde Large Mode Area (LMA)-golfgeleider gebruikt, die ze eerder speciaal hadden ontwikkeld, om een lichtsignaal op de kleinste ruimte te versterken. Cruciaal hierbij is het dwarsvlak van het elektrische veld dat door de golfgeleider wordt geleid, de zogenaamde “modus”. In de huidige experimenten is het Singh’s team gelukt om het modedwarsvlak van een fotonische golfgeleider van silicium-nitrid en aluminiumoxide te vergroten van slechts één naar 30 vierkante micrometer. Zo kon het uitgangsvermogen worden verhoogd van enkele tientallen milliwatt tot meer dan een watt.

Dit is te danken aan een verfijnd ontwerp van de slechts vier vierkante millimeter grote microchipoppervlakte, waarop het lichtsignaal via een smalle, ingebedde silicium-nitrid-golfgeleider wordt geleid, die met een aluminiumoxide-laag gecontroleerd wordt in dikte. De silicium-nitrid-golfgeleider kan daarbij meerdere keren door een zogenaamde LMA-regio lopen. Het optische signaal dat in de golfgeleider wordt geleid, begint zoals in andere fotonische golfgeleiders klein, zwak en wordt in de golfgeleider geleid. Vervolgens doorloopt het echter een doelbewuste verbreding van de golfgeleider. “Hierdoor wordt de modus als het ware uit de golfgeleider gedrukt, waardoor haar dwarsvlak aanzienlijk wordt vergroot en ze nu als een wolk door de boven de golfgeleider gelegen aluminiumoxide-laag zweeft,” legt Singh uit. “Tegelijk blijft ze verbonden met de oorspronkelijke golfgeleider als leidraad, vergelijkbaar met een hete luchtballon met zijn mand.”

De aluminiumoxide-laag zit vol thulium-ionen, die via een zogenaamde optische pomp – een externe laser – worden aangeslagen in een geëxciteerd, dat wil zeggen energierijk, toestand. Met deze ionen wisselen de signaalfotonen van de modus nu in een relatief groot gebied, dat wordt aangeduid als “Large Mode Area” of “LMA-gebied”. En omdat de modus nu zo groot is, kunnen de fotonen met veel geladen ionen wisselen en hen energie onttrekken: “Net zoals een grote sneeuwploeg meer sneeuw tegelijk kan ruimen dan een kleine schep, kan een grote modus meer ionen bevatten,” zegt Singh.

De onderzoekers versterken het signaal nog verder door het meerdere keren door het LMA-gebied te sturen. Daartoe wordt de golfgeleider weer breder, trekt daarmee de zwevende signaalwolk terug naar de smalle silicium-nitrid-golfgeleider, maakt een 180-graden bocht aan de rand van de chip, leidt het signaal opnieuw door het LMA-gebied en verkleint het weer, zodat de modus opnieuw in de energierijke laag wordt gedrukt om nog meer vermogen op te nemen.

Uiteindelijk krijgt men zo een veel sterker signaal dan aan het begin. En dat op een klein oppervlak, geïntegreerd op een microchip. Daarbij blijft de kwaliteit van het signaal behouden. Externe versterkers worden in veel systemen overbodig, waardoor de systemen niet alleen kleiner worden, maar ook goedkoper en betrouwbaarder: “Onze micro-LMA-hoogvermogenversterker stelt ons in staat om in de toekomst complexe optische schakelingen met hoog uitgangsvermogen te integreren, zoals we dat al lang uit de micro-elektronica kennen. Dit stelt ons in staat om in de toekomst complexe optische systemen voor versnellers, röntgenbronnen of ook vele andere toepassingen kosteneffectief en met hoge betrouwbaarheid te produceren,” benadrukt de leider van de groep voor ultrakorte laser- en röntgenfysica, Franz Kärtner, die ook als hoogleraar fysica aan de Universiteit van Hamburg doceert.

Dit onderzoeksproject werd zowel gefinancierd door het European Innovation Council – EIC-Pathfinder Programma “Femtochip” als door het Schwerpunktprogramma 2111 van de Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): “Ultrasnelle signaalverwerking door gebruik van nanofotonische/-elektronische technologie” Project PACE (403188360). De uitgebreide fabricage werd uitgevoerd in samenwerking met het bedrijf LIGENTEC, SA in Zwitserland en de groep van Sonia M. Garcia-Blanco aan het MESA+-instituut van de Universiteit Twente in Nederland, zie ook https://www.femtochip.eu/.

Het DOI-nummer van de originele publicatie 'Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier' is 10.1038/s41566-024-01587-9: https://www.nature.com/articles/s41566-024-01587-9