Fotonisch kristal remt licht dat door kleine gaatjes valt

Door een regelmatig gaatjespatroon aan te brengen in een dun plakje silicium blijkt het mogelijk lichtgolven zeer sterk af te remmen. Onderzoekers van het IBM Onderzoekscentrum in Yorktown Heights wisten de lichtsnelheid zelfs met een factor driehonderd terug te brengen. Dit langzame licht zou goed van pas kunnen komen in een optische computer, die rekent met licht in plaats van met elektronen (Nature, 3 nov).

In het luchtledige is niets sneller dan het licht – zo'n driehonderdduizend kilometer per seconde – maar wanneer licht zich voortplant in een materiaal als glas of water ondervindt het een vertraging die afhangt van de brekingsindex van het materiaal. Begin dit jaar lieten Kobus Kuipers en zijn collega's van de Technische Universiteit Twente zien dat dit vertragende effect kan worden versterkt in een fotonisch kristal (Physical Review Letters, 25 februari). In zo'n kristal wisselen twee materialen met een sterk verschillende brekingsindex elkaar op een regelmatige manier af. In dit geval bestond het fotonisch kristal uit een patroon van gaatjes die met behulp van lithografische technieken, bekend uit de chipsindustrie, in een plaatje silicium waren aangebracht. Omdat de onderlinge afstand tussen de gaatjes vergelijkbaar is met de golflengte van het licht, treden er interferentie-effecten op, die er toe leiden dat bepaalde kleuren van het licht niet langer in staat zijn het kristal binnen te komen.

Door echter bewust een rij gaatjes in het kristal weg te laten, ontstaat er een pad waarlangs het licht zich wél kan bewegen. Yurii Yasov en zijn IBM-collega's laten nu zien dat het omringende fotonische kristal ook in zo'n lichtkanaal de lichtgolven in zijn greep houdt: ultrakorte lichtpulsen bewegen zich door het kanaal met een snelheid van duizend kilometer per seconde. Door lokaal de structuur te verwarmen bleek het bovendien mogelijk om de brekingsindex enigszins te veranderen en zo een optimale beheersing over het gedrag van de lichtgolven te krijgen. Het lukt echter nog niet om de lichtpuls in zijn geheel het lichtkanaal in te krijgen. Daarbij gaat nog te veel licht verloren.

Naast mogelijke toepassing in een optische computer voor het (tijdelijk) opslaan van gegevens, biedt het vertragen van lichtpulsen de mogelijkheid om de alsmaar groeiende optische datastromen in glasvezels in goede banen te leiden. In zogeheten optische routers worden datapakketjes in de vorm van series lichtpulsen tussen verschillende kanalen geschakeld. Het grootste probleem van zo'n knooppunt is als er op hetzelfde moment twee pakketten aankomen die dezelfde kant op moeten. Dan is vertraging of zelfs een tijdelijke opslag van lichtpulsen noodzakelijk.