Deze optische antenne kan toveren met licht

Transcriptie

1 Editie Best of 2016 Photonics, Smart Health, Quantum computing, Sensor solutions for IoT, Photovoltaics Deze optische antenne kan toveren met licht Onderzoekers van imec en KU Leuven maakten een optische antenne van silicium, met de vorm van een boemerang. De boemerang-antenne belooft een handige bouwblok te worden voor allerhande toepassingen die lichtgolven gebruiken op een chip: sensoren, zonnecellen, optische vezels, holografische lenzen en zelfs kwantumcomputers. Best of 2016 / Editie september 2016 Net zoals er radioantennes bestaan voor het opvangen en doorsturen van radiogolven, zijn er ook optische antennes die licht opvangen en doorsturen. Onderzoekers van imec en KULeuven maakten een optische antenne van silicium, met de vorm van een boemerang. En dit resulteerde in een uniek effect: de antenne buigt het invallend licht af en de hoek waaronder dit gebeurt is afhankelijk van de golflengte van het licht. De boemerang-antenne belooft een handige bouwblok te worden voor allerhande toepassingen die lichtgolven gebruiken op een chip: sensoren, zonnecellen, optische vezels, holografische lenzen en zelfs kwantumcomputers. 1/6

2 Rood naar links & groen naar rechts De nieuwe optische antenne buigt invallend licht af en dit op een andere manier voor verschillende kleuren. Schijn je er rood licht op, dan buigt dit af naar links terwijl groen licht naar rechts zal afbuigen. Deze kleurspecifieke scattering van licht is iets heel speciaals in de fotonicawereld. Niels Verellen, FWO-postdoc en één van de onderzoekers achter deze ontwikkeling, vertelt er meer over: Het maken van optische antennes is sowieso niet eenvoudig omdat je met nanometerafmetingen werkt. Typisch zijn deze antennes een paar honderd nanometer klein. Dat is 100x dunner dan het menselijk haar. Meestal worden ze gemaakt van metalen zoals goud of zilver. Maar recent kwam silicium in de belangstelling als een interessant materiaal voor antennes met lage verliezen. En als er twee dingen zijn waar imec sterk in is dan is het wel in het maken van nano-afmetingen en in silicium. Tel daar nog de expertise van deze onderzoeksgroep in metallische, ofwel plasmonische, antennes bij op en de silicium boemerang-antenne was snel een feit. Niels Verellen: Onze groep ontwikkelde in 2013 de kleinste gouden nano-antenne die het licht in één richting verstrooit (een directionele antenne). Deze had ook de vorm van een boemerang. Het werk gebeurde in het kader van het doctoraatsonderzoek van Dries Vercruysse. Daar waar andere onderzoeksgroepen vooral werken met symmetrische vormen zoals sferen en cilinders, geloven wij sterk in de unieke eigenschappen van een asymmetrische vorm. En dus maakten we een siliciumantenne met een asymmetrische boemerang-vorm. En terwijl onze metallische antenne slechts één kleur in slechts één specifieke richting kon afbuigen, kan de nieuwe silicium antenne dat merkwaardig genoeg voor meerdere kleuren in meerdere richtingen. Je kan het beschouwen als een uiterst minuscuul prisma. Het grote verschil met het prisma is dat wij geen gebruik maken van de klassieke breking van de lichtstralen, maar van de interferentie tussen resonantiemodes in de antenne. Twee bijkomende interessante voordelen van de silicium antenne ten opzichte van haar metallische variant gemaakt van goud, is dat ze het licht efficiënter verstrooit en veel minder absorptieverliezen heeft. 2/6

3 De optische antenne buigt invallend licht af en dit op een andere manier voor verschillende kleuren. Schijn je er rood licht op, dan buigt dit af naar links terwijl groen licht naar rechts zal afbuigen. Door vorm en afmetingen van de antenne aan te passen, kan je ze tunen voor specifieke golflengtes. Glasplaatje een half miljoen optische antennes, gerangschikt in arrays. Mogelijke toepassingen Het afbuigen van licht volgens de golflengte blijkt een unieke eigenschap te zijn die van pas kan komen in verschillende toepassingen. Niels: Vandaag worden kleurenprisma s of diffractieroosters gebruikt in vele optische instrumenten die omwille van de vele afzonderlijke optische componenten typisch groot zijn en moeilijk te aligneren. Indien men die functies op een chip kan combineren, wordt het hele systeem plots compact en elegant te gebruiken. Een belangrijk voordeel van een siliciumantenne is dat ze werkt voor zichtbaar en nabij-infrarood licht. Dat zijn typisch ook de golflengtes die worden gebruikt in de life sciences voor de detectie van moleculen en cellen. Niels: Denk aan fluorescente labels, ramanspectroscopie, enz. Je zou de antenne kunnen gebruiken in een multiplexing experiment waarin je twee verschillende fluorescente labels tegelijk wil detecteren (bv. een groen en een rood). Plaats twee fotodetectoren onder de antenne en je kan perfect de signaalsterkte aflezen voor het rode en groene licht apart. De antenne bestaat uit silicium, hetzelfde materiaal als chips. Dit maakt het gemakkelijk en relatief goedkoop om ze te integreren op chip, bv. als onderdeel van on-chip fotonische circuits. Deze worden gebruikt voor communicatie op de chip of voor detectie van biologische moleculen in optische biosensoren. Niels: Je kan zo n circuit beschouwen als een snelweg met de snelheid van het licht als snelheidslimiet waarop informatie wordt vervoer door lichtgolven die bewegen door golfgeleiders. Om het verkeer in goede banen te leiden, heb je een soort van verkeerslichten nodig. Onze antenne zou die taak op zich kunnen nemen door het rode licht naar links te sturen en het groene licht naar rechts. Huidige fotonische componenten die gelijkaardige functies vervullen zijn al snel tien keer groter dan de boemerang antenne. 3/6

4 Er zullen zeker nog veel meer toepassingen zijn. Immers, alle toepassingen waarbij licht betrokken is en waarbij je op zoek bent naar een meer compacte siliciumoplossing, komen in aanmerking. Het kan hier gaan om 2D-lenzen, hologrammen, zonnecellen enz. Imec werkt met vele bedrijven samen in verschillende projecten. Momenteel wordt bekeken in welke projecten deze nieuwe antenne van pas kan komen. De toekomst van de antenne Deze antenne wordt verder ontwikkeld in het kader van het FWO-postdoctoraat van Jiaqi Li. Niels Verellen: Er zullen andere materialen uitgeprobeerd worden met als doel ook andere golflengtes dan die van zichtbaar licht te gebruiken. Afhankelijk van de discussies die we met partnerbedrijven zullen hebben, kunnen antennevormen verder geoptimaliseerd worden voor specifieke toepassingen. En we willen van de antenne een actieve component maken die zijn eigenschappen verandert op basis van een uitwendige puls. Bv. door een spanning op de antenne te zetten, stuurt die rood licht nu niet meer naar links maar naar rechts. Alles zal afhangen van de specifieke noden die we zien in onze verschillende onderzoeksprojecten. Maar zeker is dat er nog heel veel mogelijkheden zijn met dit nieuwe concept. Van links naar rechts: Niels Verellen, Dries Vercruysse en Jiaqi Li 4/6

5 The big picture: vlakke optica voor life science-toepassingen De ontwikkeling van deze optische antenne past natuurlijk in een groter geheel. Liesbet Lagae, programmadirecteur Life Science Technologies bij imec: De optische antenne is een mooi voorbeeld van een nieuwe trend in de fotonicawereld om vlakke optica te maken. Vlakke optica voor zichtbaar licht is vooral belangrijk in biofotonica waarbij fotonische bouwblokken gebruikt worden om life science systemen compact te integreren. Door nanostructuren te maken in een welbepaalde configuratie, vorm en materiaal kan je de functionaliteit van conventionele lenzen, kleursplitsers etc. nabootsen. Het voordeel is dat je zo een heel compacte structuur maakt die goedkoper is en vaak zelfs beter presteert. Je kan er dan aan denken om een stapel van laagjes te maken met verschillende functies: een laagje lens bovenop een laagje kleurensplitser (= de optische antenne), bovenop een detectorlaag. Indien je al deze laagjes dan combineert op een siliciumchip, heb je een volledig detectieplatform voor zichtbaar licht. Het is bovendien relatief eenvoudig te integreren met functies van elektronische chips en is gemakkelijk te maken in grote hoeveelheden in reeds bestaande fabs. Een mooi voorbeeld van zo n geïntegreerd systeem is de celsorteer-chip die Liesbet Lagae en haar team ontwikkelen in het kader van haar prestigieuze ERC-grant. Liesbet Lagae: We werken aan een compact en gebruiksvriendelijk apparaatje dat individuele cellen (bv. kankercellen) in bloed kan sorteren en analyseren. Het apparaatje bestaat uit verschillende bouwblokken gemaakt van silicium en gebaseerd op chiptechnologie: microfluïdicakanaaltjes, verwarmingselementen, mixers, bubble generators om cellen af te leiden naar een apart kanaal etc. Vlakke optica-elementen zijn eveneens essentieel om een compact apparaatje te kunnen maken. Denk bv. aan de eerder genoemde stapel van lens-, kleurensplitser- en detectorlaag om cellen met verschillende fluorescente labels snel en compact te kunnen identificeren. Het onderzoek naar vlakke optica is een recent domein binnen de biofotonica waarbij fotonische bouwblokken gebruikt worden voor life science toepassingen. Het andere beter bekende domein is dat van de fotonische circuits (PICs) waarbij ultracompacte fotonische componenten achter elkaar geschakeld worden om licht doorheen het circuit te leiden en om zo bv. biologische moleculen te detecteren. Liesbet Lagae: Op het vlak van PICs heeft imec een SiN-fotonicaplatform voor zichtbaar licht opgezet waardoor bedrijven toegang krijgen tot deze innovatieve technologie, op maat van hun specifieke toepassing. Wat betreft vlakke optica maken we op basis van siliciumtechnologie vlakke lenzen (bv. voor gebruik in DNA sequencers en cytometrietoepassingen) en nu dus ook optische antennes of kleurensplitsers. Dit laatste was nog niet aangetoond in de literatuur en is dus heel uniek. 5/6

6 Meer weten? Je kan de paper All-dielectric antenna wavelength router with bidirectional scattering of visible light die verscheen in Nano Letters opvragen via 6/6