De speciale machine die op de TU/e is gemaakt om de lasers te vormen.
Volledig scherm
De speciale machine die op de TU/e is gemaakt om de lasers te vormen. © nandoonline.com

Doorbraak in fotonica bij TU Eindhoven: laserlicht in chip makkelijker

EINDHOVEN - Het gebruik van fotonische chips, gebaseerd op licht in plaats van elektriciteit, is een stuk dichterbij gekomen. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven zijn erin geslaagd laserlicht in een chip op te wekken met een schakeling van silicium, zeg maar zuiver zand.

Fotonica wordt gezien als de elektronica van de toekomst die sneller werkt met minder energie. Nu nog zijn er complexe schakelingen nodig gemaakt uit zeldzame metalen als gallium en indium om het gewenste laserlicht op te wekken. Wetenschappers hadden wel de verwachting dat het ook met silicium kan, maar hoe, dat was nog niet exact bekend. Een groep onderzoekers rond TU/e-professor Jos Haverkort heeft in het wetenschappelijk tijdschrift Nature een methode gepubliceerd.

Enorme hoeveelheden informatie

Onderzoekers Elham Fadaly en Alain Dijkstra bezig met een optisch opstelling om lichtemissie te meten.
Volledig scherm
Onderzoekers Elham Fadaly en Alain Dijkstra bezig met een optisch opstelling om lichtemissie te meten. © Sicco van Griepen / TUE

De werking van chips is tot nu toe gebaseerd op een snelle uitwisseling van enorme hoeveelheden elektronische informatie. Die veroorzaakt echter veel warmte, die de werking van chips beperkt en veel energie kost. Dat is een van de oorzaken dat datacentra enorme energiegebruikers zijn. 

Bij laserlicht ontstaat geen warmte en het verplaatst zich bovendien zo snel als het licht. Dat is grofweg duizend keer zo snel als elektronische informatie. Hierdoor brengen fotonische chips nieuwe zeer ingewikkelde toepassingen binnen handbereik. Bijvoorbeeld een radar voor zelfrijdende auto's en chemische sensoren voor medische toepassingen.

Zeshoekige kristalstructuur

De wetenschappers onder leiding van hoofdonderzoeker Erik Bakkers hebben volgens hem een ‘zeshoekige kristalstructuur’ van silicium weten te creëren welke de eigenschap heeft onder bepaalde omstandigheden licht te produceren. Bij het onderzoek heeft de Eindhovense universiteit samengewerkt met collega's van de universiteiten in Jena, Linz en München in Duitsland en Oostenrijk. 

Het team van Bakkers slaagde er sinds 2015 in om de kwaliteit van het zeshoekige silicium te verhogen door het aantal onzuiverheden te verminderen. Alain Dijkstra, een van de auteurs van het artikel en verantwoordelijk voor het meten van de lichtemissie: “Onze experimenten toonden aan dat het materiaal de juiste structuur heeft, en dat het vrij is van defecten. Het straalt zeer efficiënt licht uit.”

Kwaliteit sterk verbeterd

Elham Fadaly aan het werk in het laboratorium van de TU/e.
Volledig scherm
Elham Fadaly aan het werk in het laboratorium van de TU/e. © Sicco van Grieken / TUE

Een laser maken is nu een kwestie van tijd, denkt Bakkers. “Inmiddels hebben we optische eigenschappen gerealiseerd die bijna vergelijkbaar zijn met indiumfosfide en galliumarsenide. Bovendien is de kwaliteit van de materialen sterk verbeterd. Als alles goed gaat, kunnen we in 2020 een laser maken op basis van silicium. Dit maakt het mogelijk om optische functionaliteit te integreren in elektronica. Daarmee zullen we de vooruitzichten voor optische communicatie op de chip en betaalbare chemische sensoren op basis van spectroscopie verbeteren.”

Intussen onderzoekt zijn team ook hoe het zeshoekige silicium in de kubusvormige silicium-micro-elektronica kan worden geïntegreerd, wat een belangrijke voorwaarde is voor dit werk. Dit onderzoeksproject is gefinancierd door het EU-project SiLAS, gecoördineerd door TU/e-professor Jos Haverkort.

In samenwerking met indebuurt Eindhoven