Als het aan de onderzoekers van de vakgroep Opto-Electronic Devices (OED) ligt, is dat binnenkort verleden tijd. Zij bouwen optische chips, die de benodigde bewerkingen uitvoeren zonder dat lichtsignalen omgezet hoeven te worden naar elektrische signalen.

Dr. Jos van der Tol, begeleider van Kok en Augustin, legt uit wat de voordelen zijn van optische communicatie: “Je kunt met licht nu eenmaal bij veel hogere frequenties werken dan met elektrische signalen. Daardoor kun je ook veel meer informatie in een optisch signaal stoppen. Bovendien kun je in een optisch netwerk heel eenvoudig de frequentie waarmee je datapulsjes verstuurt opkrikken, zonder dat je het netwerk hoeft aan te passen. Als je gebruik maakt van elektronische schakelingen, moet je die telkens vervangen als je de bitrate van je systeem wilt verhogen. Simpele glasvezelsystemen zijn nu al zeker duizend keer zo snel als ADSL en dat is zeker nog niet de grens.”

Toch kunnen de meeste mensen thuis nog niet volledig profiteren van het snelle glasvezelnetwerk: het laatste stukje naar hun woning is meestal nog gewoon een koperdraadje. Volgens Van der Tol heeft dat alles te maken met de productiekosten van de optische schakelingen. “De productie van de optische chips wordt pas rendabel als er voldoende vraag naar is. Die vraag komt ongetwijfeld als de hoeveelheid glasvezel toeneemt. Dat lijkt me een kwestie van tijd.” Intussen richt hij zich met zijn collega’s op de ontwikkeling van componenten voor de optische chips.

Polarisatiedraaier
Volgens Luc Augustin, die zijn onderzoek inmiddels als postdoc bij OED heeft voortgezet, is het de bedoeling zo veel mogelijk functies op de optische chip te combineren. Hij legt uit welke basiscomponenten de chip bevat: “Op elektronische chips zijn de schakelingen opgebouwd uit transistors, condensatoren en weerstanden. Optische chips bevatten onder meer golfgeleiders om het licht van A naar B te geleiden, fasemodulatoren waarmee je de fase van het licht kunt manipuleren, en versterkers. Zelf heb ik daar een ander bouwblokje aan toegevoegd: een polarisatiedraaier.”

Licht kun je zien als een golf die trilt in het vlak dat loodrecht staat op de bewegingsrichting van de lichtstraal. De richting waarin het licht trilt, wordt de polarisatie genoemd. Dat betekent dat het licht op de chip gedeeltelijk gepolariseerd kan zijn in het vlak van de chip, en gedeeltelijk loodrecht op de chip. De componenten op de chip zijn polarisatiegevoelig: ze doen met licht in de ene polarisatie niet hetzelfde als met licht met de andere polarisatie. Van der Tol: “Het probleem is dat de glasvezels een cilindersymmetrie hebben: ze zijn buisvormig. Daardoor kan de polarisatie van het licht draaien in de vezel. Je weet dus nooit met welke polarisatie het licht op de chip aankomt.”

Dat probleem kan worden ondervangen door het licht dat binnenkomt op de chip in tweeën te splitsen: het licht dat gepolariseerd is in het vlak van de chip wordt de ene kant op geleid, en de rest van het licht - met de polarisatie loodrecht op de chip - komt in een ander deelcircuitje terecht, geschikt voor die specifieke polarisatie. Nadat de benodigde bewerkingen op het licht zijn uitgevoerd, wordt het licht weer samengevoegd en de glasvezel ingestuurd.

Kleuren
Volgens Augustin is de polarisatiegevoeligheid van de componenten op de chip niet alleen een nadeel. Het kan namelijk van pas komen bij het omzetten van signalen naar andere kleuren licht. Glasvezelkabels kunnen namelijk tot wel honderd kleuren licht tegelijk doorgeven: nog een oorzaak van hun grote datacapaciteit. “Als je met een signaal binnenkomt op een netwerk, moet de kleur die je gebruikt maar net beschikbaar zijn in de rest van het netwerk. Meestal moet je daarom de data overzetten op een andere kleur licht. Al is de term kleur een beetje misleidend: het gaat in alle gevallen om infrarood licht.”

Zodra de data overgezet is op een andere kleur licht, wil je zo snel mogelijk af van het oorspronkelijke licht, dat immers overbodig is geworden. “Daarbij kun je gebruik maken van de polarisatie. Ik heb een systeem gebouwd waarmee we de polarisatiedraaier gebruiken om het oorspronkelijke signaal te scheiden van het uitgaande signaal. Dat was meteen een mooie test voor de polarisatiedraaier.”

Uit de bocht
Het werk van Augustin past in de huidige technologische ontwikkelingen op het gebied van optische chips. Het onderzoek van collega-promovenda Els Kok gaat een stap verder. Zij hield zich bezig met fotonische kristallen, waarmee licht op nog veel kleinere schaal gemanipuleerd kan worden. Kok: “Een belangrijk voordeel van fotonische kristallen is dat je het licht scherpe bochten kan laten maken op de chip. Dat is niet mogelijk met de techniek die Luc gebruikt heeft. Daar vliegt het licht als het ware uit de bocht, en lekt weg uit de golfgeleiders.”

Fotonische kristallen hebben een unieke structuur die ervoor zorgt dat het materiaal slechts transparant is voor een specifieke kleur licht. “Als je ook nog eens defecten in de vorm van een lijn aanlegt, dan zal het licht precies die lijn volgen. Zo kun je een soort golfgeleider maken die smaller is dan de golflengte van het licht.” Kok heeft met deze techniek een polarisatiefilter gemaakt die maar liefst tweehonderd keer kleiner is dan vergelijkbare componenten op Augustins chip.

De promovenda gebruikte elektronenbundellithografie om heel speciale fotonische kristallen te maken. Ze creëerde een soort woud van regelmatig geplaatste pilaarvormige kristallen, met daarin op halve hoogte een segment dat bestaat uit een ander materiaal dan de rest van de pilaar. “Dat materiaal heeft een iets hogere brekingsindex dan de omgeving. Daardoor loopt de lichtgolf horizontaal op de hoogte van het afwijkende segment. Door het verschil in brekingsindex dwing je het licht als het ware op die hoogte te blijven.” In de ruimte tussen de pilaren is het licht echter vrij om te gaan waar het wil. “Om te voorkomen dat het licht daar weg zou lekken, hebben we de ruime tussen de pilaren opgevuld met polymeren. Ook dat hebben we in verschillende lagen gedaan, waarbij we weer halverwege een polymeer met een iets hogere brekingsindex hebben gebruikt.”

Van der Tol benadrukt dat de vondst met de polymeren de reden is dat zij als enige dit soort fotonische kristallen hebben weten te maken. De groep kreeg hiervoor hulp van de polymeerexperts van Scheikundige Technologie. De groep werkt ook intensief samen in onderzoeksschool COBRA met de groep van prof. Andrea Fiore (Technische Natuurkunde) en de vakgroep Electro-Optical Communications. Met Bas Huiszoon van die laatstgenoemde groep (zie het interview hieronder, red.) maakte Augustin nog een chip voor test in een netwerk. Van der Tol: “We onderhouden een groot aantal productieve samenwerkingen, ook in Europees verband. Dat is heel nuttig”. Dat wil Augustin wel bevestigen: “De projectmanager van onze Europese samenwerking zit in Griekenland, dus we gingen elk jaar naar een Grieks eiland voor de zomermeeting. Dat had slechter gekund.”/.