Een miniatuurgevangenis voor fotonen: dat is de nanocavity die onderzoekers van de Universiteit Twente hebben ontdekt. Het is een uiterst kleine holte die van alle kanten wordt omgeven door een fotonisch kristal – een structuur van poriën die loodrecht op elkaar staan. De opsluiting van fotonen in een 3D-holte kan leiden tot efficiënte miniatuurlasers en LED’s, tot het optisch opslaan van informatie of tot gevoelige sensoren voor biomedische toepassingen.

Fotonica

Technieken om licht te ‘vangen’ staan aan de basis van fotonica. Een bekende ‘cavity’ bestaat uit twee spiegels waartussen een staande golf ontstaat van een bepaalde kleur licht, afhankelijk van de afstand tussen de spiegels. Dat is het principe van de laser. Maar licht dat naar de zijkant weglekt, wordt niet meer door de spiegels gereflecteerd. Dat kan worden voorkomen door een foton te omgeven door spiegels in drie dimensies, aldus de UT-onderzoekers. De spiegels zijn in dit geval driedimensionale fotonische kristallen. Die bestaan uit poriën die diep in silicium zijn geëtst, in twee richtingen loodrecht op elkaar.

Bewust verstoren

Fotonische kristallen staan bekend om hun bijzondere licht-eigenschappen. De structuur en de regelmaat van de poriën is zodanig dat alleen licht van bepaalde golflengten zich kan voortplanten. Maar hoe moet dan, diep in die structuur, een onregelmatigheid of ‘defect’ in het kristal worden ingebouwd, zodat het foton wordt opgesloten? In hun publicatie laten de UT-onderzoekers zien dat dit kan door twee poriën, loodrecht op elkaar, bewust een andere diameter te geven. Waar ze elkaar kruisen, ontstaat de holte. Aan alle kanten wordt de holte omgeven door de regelmatige kristalstructuur: voor het foton is er geen ontkomen aan.

Lichtgewicht

Door de regelmaat in de structuur plaatselijk aan te passen, blijkt het kristal ook een aanzienlijke absorptie te laten zien van licht in het zichtbare gebied, tot tienmaal de absorptie van ‘onbehandeld’ silicium. Dat is een mooie eigenschap voor sensoren. De grote dichtheid van poriën maakt het kristal ook nog eens licht van gewicht – de onderzoekers noemen dat ook wel ‘holeyness’. De kristallen zijn bovendien te integreren in de huidige siliciumtechnologie.

Lichtchips

Eerder lieten de onderzoekers al zien dat de fotonische kristallen die een diamantstructuur hebben, licht kunnen reflecteren over een zeer breed kleurenspectrum en voor alle hoeken. Dit onderzoek stond aan de basis voor de nieuwe vinding die nu is gepresenteerd. De cavities zullen naar verwachting ook een belangrijke rol spelen in fotonische chips voor het opslaan en bewerken van lichtsignalen.

Bron: Universiteit Twente