Miniatuurversterkers voor licht dankzij erbium

Door atomen van het element erbium in glas te schieten is het mogelijk kleine optische versterkers te maken die de intensiteit van licht uit glasvezels met een factor twee versterken. Dat betekent dat een optisch telecommunicatie-signaal zonder versterking in tweeën vertakt kan worden. Onderzoek van Erwin Snoeks van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica in Amsterdam, waarop hij gisteren promoveerde, heeft dit aan het licht gebracht.

De rol van erbium (een lantanide met atoomnummer 68) is al langer bekend, maar er bestond geen inzicht in de mogelijkheden voor de geïntegreerde optica. Snoeks heeft in zijn onderzoek nu een aantal factoren gekwantificeerd. Zo vond hij dat een concentratie van maximaal 1 erbiumatoom op 200 siliciumatomen een optimale versterking oplevert.

De door AMOLF ontwikkelde optische versterker bestaat uit een dun glasplaatje waarin kanalen voor lichtgeleiding zijn aangebracht. In die kanalen worden met behulp van een versneller erbiumionen geschoten (geïmplanteerd). Met een laser kunnen die worden 'aangeslagen' - wat betekent dat de zwakst gebonden elektronen op een hoger energieniveau worden gebracht - waarna de elektronen in 10 milliseconden 'terugvallen' onder uitzending van infrarood licht met een in de communicatie gebruikelijke golflengte van 1,54 micrometer. Een langskomend signaal wordt op deze wijze versterkt.

Twee factoren, zo vond Snoeks, beperken de versterking: verontreinigingen in het glas (die een deel van de energie van de terugvallende erbiumionen opnemen) en de erbiumconcentratie. De verontreinigingen zijn nog te verwijderen, maar de erbiumfactor is onontkoombaar. Wanneer deze atomen in de glasvezel te dicht op elkaar zitten, kunnen ze in aangeslagen toestand energie van aangeslagen soortgenoten opnemen - dit ten koste van de efficiëntie van de signaalversterking.

Het onderzoek leverde ook fundamentele inzichten op. Zo bleek het glas tijdens de ionenimplantatie te vervloeien, alsof het tot 1100 ß8C was verhit. Verder bleek het tempo waarin de erbiumatomen licht afgeven af te hangen van hun omgeving in overeenstemming met 'de Gouden Regel van Fermi': een quantummechanisch effect dat de brekingsindex van de buitenwereld in rekening brengt. Zo gaan toegepaste en fundamentele wetenschap weer hand in hand. (Newton News)