Fotonische kristallen; Vele toepassingen van holle ruimten

Steeds vaker zien we dat allerlei elektronische componenten die in de afgelopen jaren hun nut meer dan hebben bewezen, worden vervangen door optische tegenhangers. Het is dan ook de verwachting van vele computerwetenschappers dat de eerste werkende optische computer niet meer ver weg kan zijn.

Een eerste prototype, waarmee een aantal principes kon worden aangetoond werd al in 1990 op het AT&T Bell Laboratorium gepresenteerd. Een van de belangrijkste drijfveren voor de ontwikkeling van een optische rekenmachine is nog altijd het vergroten van de snelheid: elektronen kunnen het immers wat snelheid betreft niet opnemen tegen fotonen. Er zijn echter nog heel wat horden te nemen, en voorlopig is men nog niet in staat om het gedrag van fotonen op dezelfde manier te benvloeden zoals men dat in halfgeleiders kan met elektronen.

Wat halfgeleiders zo uniek maakt is hun band gap. Dit is de energie die aan de elektronen in de halfgeleider moet worden toegevoegd vóór deze in staat zijn om geleiding te veroorzaken. De band gap kan worden "overgestoken' in aanwezigheid van een elektrisch veld van de juiste sterkte. Deze eigenschap ligt aan de basis van de transistor en vormt zo dus ook een van de grondslagen voor de revolutie binnen de micro-elektronica van de afgelopen tien jaar.

Het is voor vele onderzoekers een droom geweest om ook voor fotonen een band gap te kunnen creëren. Onlangs is dat wetenschappers van het Bell Communications Research laboratorium onder leiding van Eli Yablonovitch eindelijk gelukt. Zij maakten een zogenaamd fotonisch kristal, waarmee heel efficiënt licht van specifieke golflengten kan worden buitengesloten: zo werd een voor fotonen verboden gebied gecreëerd.

Hoewel deze ontdekking in de wat verdere toekomst wel eens zou kunnen leiden tot een echte optische computer, liggen nu al nieuwe mogelijkheden voor krachtiger antennes op microchips, revolutionaire lichtemitterende diodes èn een betere zuivering van ons drinkwater in het verschiet.

Metalen blok

Het maken van een fotonisch kristal bleek eigenlijk uiterst simpel. Fysici gaan daarbij uit van een metalen blok waarin in alle richtingen volgens een bepaald patroon grote aantallen kleine, elkaar doorsnijdende gaatjes worden geboord. Ook is het mogelijk om door middel van het opstapelen van bolletjes hetzelfde effect te bereiken. Waar de afstanden tussen de atomen in een gewoon' kristal vaak maar enige ©1Angstr⊘ms bedragen, hebben zowel de gaatjes als de bolletjes diameters variërend van enkele honderden nanometers tot aan millimeters. Hierdoor ontstaat een grotendeels lege structuur, als die van een Zwitserse kaas. Tot genoegen van de onderzoekers bleek het zo ontstane materiaal bepaalde golflengten in het microgolfgebied volledig buiten te sluiten. Dat opende de mogelijkheid tot een miniatuur microgolf antenne (zender).

Normaal gesproken zijn dat soort kleine, op een halfgeleider chip gefabriceerde antennes erg inefficiënt. Een standaard dipool antenne op galliumarsenide straalt namelijk maar twee procent van het toegevoerde vermogen de lucht in. De rest verdwijnt in de halfgeleider. Yablonovitch maakte nu in samenwerking met onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology een antenne op het oppervlak van een fotonisch kristal en voerde microgolven toe met een daarvoor verboden' golflengte. Resultaat was dat praktisch het totale vermogen werd uitgezonden.

Door de afstand tussen de geboorde gaatjes te veranderen kan willekeurig een verboden golflengte worden gekozen en zo worden afgestemd op iedere gewenste toepassing. De eerstvolgende stap is nu een fotonisch kristal direct uit halfgeleidermateriaal te fabriceren, zodat de antenne en benodigde elektronica kunnen worden gentegreerd op een chip.

Plastic bolletjes

Andere mogelijkheden die zich nu lijken te hebben geopend liggen in een ander golflengtegebied, namelijk dat van het zichtbare licht. Daarvoor dienen de gaatjes veel dichter bij elkaar te worden aangebracht. Een alternatief is gebruik te maken van van te voren geprepareerde plastic bolletjes van één bepaalde grootte, en die als sinaasappelen in een regelmatige rangschikking op te stapelen.

Een van de belangrijkste toepassingen van deze materialen zou wel eens een revolutionaire Licht Emitterende Diode (LED) kunnen zijn. Deze LEDs zijn de laatste tijd bijna volledig van het toneel verdrongen door hun efficiëntere halfbroertjes, de halfgeleiderlasers. In beide systemen wordt gebruik gemaakt van het licht dat ontstaat wanneer electronen en gaten in een halfgeleider recombineren. Deze elektronen en gaten ontstaan wanneer men een spanning over de diode aanlegt.

De halfgeleiderlasers hebben daarbij echter nogal last van spontane emissie. Hierdoor wordt licht gegenereerd met een andere golflengte dan die van het uiteindelijke laserlicht. Om laserwerking te verkrijgen, moet vrij veel elektrisch vermogen worden genvesteerd: elke halfgeleiderlaser heeft dan ook een laserdrempel en is vrij inefficiënt. Gewone LEDs hebben daar geen last van, maar die leveren weer geen monochromatisch en coherent licht. Door nu een LED in te bouwen in een fotonisch kristal dat precies afgestemd is op een nauwkeurig bepaalde golflengte, zou een drempelloze halfgeleiderlaser kunnen worden verkregen. De LED wordt eenvoudigweg gedwongen bij een specifieke golflengte te stralen. Zo'n Single Mode LED (SM-LED) zou vooral voor optische communicatie doeleinden een enorme verbetering betekenen.

Waterzuivering

Een heel aardige en volkomen onverwachte toepassing van het onderzoek naar fotonische kristallen kwam naar voren bij de bestudering van het gebruik van titaniumdioxide (TiO) bolletjes als mogelijke basis voor fotonische kristallen. TiO wordt namelijk ook gebruikt in de waterzuivering, waar het als katalysator fungeert bij de afbraak van gechloreerde koolwaterstoffen. Daarvoor is toevoer van energie vereist, bijvoorbeeld in de vorm van licht. Het totale proces is echter weinig efficiënt, omdat het licht na absorptie door het TiO bijna altijd direct weer bij een andere (langere) golflengte wordt uitgestraald, en zo verloren gaat als energie voor de chemische reacties. Wanneer nu een fotonisch kristal zou worden gemaakt van de bolletjes, dan kan deze vorm van ongewenste emissie geblokkeerd worden.

De toepassingsmogelijkheden zijn derhalve zeer divers en een recente door het US Army Research Office gehouden workshop bracht dan ook onderzoekers uit volkomen verschillende gebieden bijeen. Op grond van die diversiteit en de nu geboekte vooruitgang concludeerden de organisatoren dat het onderzoek naar fotonische kristallen ""... will be an important, rapidly growing and intellectually stimulating field for years to come''.