Heb je tegenwoordig een beetje een snelle internetverbinding, dan stuur je zonder problemen vrij snel bestanden van megabytes groot door. Toch kunnen sommige toepassingen snellere communicatie gebruiken. De gewenste hoge kwaliteit filmbeelden of grote hoeveelheden muziek vragen om de mogelijkheid nog meer data per seconde te kunnen versturen en ontvangen. Om niet steeds nieuwe kabels aan te hoeven leggen, moet dus het aantal bitjes (enen en nullen) dat per seconde door een glasvezel gaat, omhoog.
De bron van deze digitale lichtsignalen (golflengte 1550 nanometer, zie kader) is een laser. Door deze continue lichtbron met een hoge frequentie te onderbreken, maak je lichtpulsen (heel korte ‘stukken lichtstraal’) die in de glasvezel als ‘1’ fungeren. Met zijn promotieonderzoek mikte Heck op het maken van een laserbron die lichtpulsen met een frequentie van terahertz -‘tera’ wil zeggen 10¹², een miljoen keer een miljoen pulsen per seconde- kan maken. Daarmee zou het in principe mogelijk worden te communiceren met terabit-snelheden. “Ter vergelijking: de dikke kabels die op de oceaanbodem liggen, bestaan uit glasvezels die rond de honderd miljard bits per seconde aan kunnen”, vertelt Heck, die aan de faculteit Elektrotechniek promoveerde in de groep Opto-electronic Devices.
Mooie toekomstbeelden dus, maar zo’n snelle laser is niet zomaar gemaakt. De eerste optie die voor de hand ligt, is een halfgeleiderlaser te nemen met een continue lichtstraal. Door er een heel snelle schakelaar achter te zetten, zou het mogelijk zijn lichtpulsen met terahertz-frequenties te maken. “Het probleem is alleen dat zo snel schakelen elektrisch niet mogelijk is”, aldus Heck. Daarom nam hij zijn toevlucht tot de zogeheten ‘mode-locking’. “Daarbij heb je een trilholte, waarin het licht met constante snelheid rondloopt. Per omgang haal je er één pulsje uit. Het aantal pulsjes dat er per seconde uitkomt, hangt af van de afmetingen van de trilholte.” Typisch is hiermee een frequentie haalbaar van een puls per enkele tientallen picoseconden (10^-12 seconden), met een pulsbreedte van een paar picoseconden. Heck: “Voor de gewenste snelheden streefden we echter naar een periode van een picoseconde bij een pulsbreedte van een paar femtoseconden (10^-15 seconden).”

Samenpersen in de tijd
Daarvoor waren twee opties mogelijk. Ten eerste door een kleinere trilholte te maken. En ten tweede door van de bestaande laser de lichtpulsen korter te maken. “Met andere woorden: we wilden de puls net na de laser samenpersen in de tijd”, vertelt Heck. “Daarbij geldt: hoe korter je een puls wilt maken, hoe meer verschillende frequenties (verschillende ‘kleuren’ licht) je daarvoor nodig hebt.” Achter de laser plaatste de promovendus daarom een zelf ontworpen en gepatenteerd componentje dat aan de lichtpulsen meerdere frequenties toevoegt. Daarbij gaat de samenhang van de puls voor een deel verloren, maar daar vond Heck wat op. Om de vervormde lichtpuls weer te herstellen, ontwikkelde hij een derde componentje, dat hij de ‘pulse shaper’ noemt. Het pakt eerst alle frequentiecomponenten uit de vervormde puls en stuurt die daarna individueel aan (zie figuur). Heck: “Eerst haalt het de verschillende frequenties uit elkaar. Daarna verschuift een tweede onderdeel deze zodanig in fase, dat aan het eind weer één nette, en kortere puls kan worden samengesteld van zo’n driehonderd femtoseconden lang.”

Paar honderd stappen
Dat klinkt allemaal redelijk overzichtelijk, maar al deze componenten moeten ook echt gemaakt worden. Daarvoor dook de promovendus regelmatig de cleanroom van het Spectrumgebouw in. Om een chip te fabriceren met één van de genoemde onderdelen erop, was hij drie tot vier weken bezig, met processen als etsen en het aanbrengen van dunne lagen nitride of metaal. Niet zo raar omdat het productieproces vaak bestaat uit een paar honderd stappen. Van eenvoudig tot ingewikkeld, maar altijd met een kleine kans op een foutje. “Dat klinkt onschuldig, maar als honderden mogelijke kleine foutjes zich opstapelen, is de totale kans op falen vrij groot”, legt Heck uit. “In het lab luidt het devies dan ook: werk zo nauwkeurig mogelijk. En omdat het maakproces zoveel moeite kost, is het slim om op een chip zoveel mogelijk verschillende ontwerpen te plaatsen.”
Uiteindelijk maakte Heck zelf succesvol de drie componenten. Door deze individueel te testen, bewees hij dat zijn ideeën in principe werken. Een volgende stap zou zijn de drie onderdelen samen te brengen op één chip. “Maar dan moet eerst de betrouwbaarheid van de maakprocessen omhoog.”
Lukt dat, dan liggen verschillende toepassingen in het verschiet. De telecomsector kan ervan profiteren doordat sneller datatransport mogelijk wordt. Meer op het wetenschappelijke vlak kunnen de ultrakorte pulsen de overgang van een atoom ‘triggeren’. Nuttig om bijvoorbeeld fluorescentiemetingen (een soort microscoopopnamen) te doen zonder het proefstuk ongewild op te warmen. Tenslotte dringt licht van 1550 nanometer golflengte ook dieper door in de huid dan zichtbaar licht. Handig bij biomedisch onderzoek.
Ondersteund door een Valorisation Grant van vijfentwintigduizend euro houdt Heck zich inmiddels bezig met het verkennen van de mogelijkheden van commerciële toepassing van de technologie. Parallel daaraan werkt Heck mee aan het opzetten van een Europees platform om dit soort optische chips met productiekwaliteit te kunnen maken. Heck: “Met de huidige stapsgewijze technologie is dat nog veel te duur. We proberen daarom ontwerpregels op te stellen en een mate van standaardisatie door te voeren. Bij het maken van een nieuwe chip kun je dan kosten delen met anderen. Zodat de ontwikkelkosten beperkt kunnen blijven tot enkele tienduizenden euro’s.”/.

Boven de schematische weergave van de werking van de ‘pulse shaper’. De verschillende frequentiecomponenten (‘kleuren’) worden eerst gescheiden. Vervolgens wordt per kleur de fase verschoven tot ze allemaal in fase lopen. Door de kleuren weer bij elkaar te brengen ontstaat een nette, verkorte puls.
Onder een foto van de optische chip met de verschillende onderdelen van de ‘pulse shaper’.

De golflengte van 1550 nanometer -infrarood licht- is niet toevallig gekozen. Die heeft alles te maken met het materiaal van de vezel waar het licht doorheen moet: glas. Precies bij deze lengte van de lichtgolven absorbeert glas licht het slechtste en treedt dus het minste lichtverlies op. Daarom maken veel toepassingen in de telecommunicatie gebruik van deze golflengte. Wereldwijd is al voor miljarden geïnvesteerd in glasvezelnetwerken, dus alle nieuwe technologie moet zich aanpassen aan deze golflengte. Dat kan onder andere door de keuze van de gebruikte materialen. Vaak wordt gebruik gemaakt van een combinatie van de materialen indiumfosfide (afgekort InP) en indium-galliumarsenide-fosfide (InGaAsP). Heck: “Wat betreft het maken van chips is van dit koppel materialen in de halfgeleiderwereld het meeste bekend, na silicium. De atomen van beide materialen passen prima op elkaar en uit InGaAsP komt licht in de gewenste golflengte. Door een laagje InGaAsP te omsluiten met InP sluit je het licht verticaal op. Komt nog bij dat je kunt spelen met de mate van transparantie van InGaAsP, zodat je het licht kunt geleiden, versterken en absorberen.”