UT ontwikkelt smalbandige laser op een chip voor fotonica

Wetenschappers van de Universiteit Twente hebben een kleine nauwkeurige laser op een chip ontwikkeld met een afwijking van 290 Hertz ten opzichte van de standaardfrequentie. De vinding kan een rol spelen bij toekomstige fotonische chips die traditionele elektronische chips vervangen.

Volgens de Universiteit Twente is de laser de meest nauwkeurige op een chip tot nu toe. Het gaat om een tunable hybride laser die uit twee optisch verbonden chips bestaat waarbij de kleur van de laser instelbaar is. De nauwkeurigheid maakt de laser tot een goede kandidaat voor fotonica. De optische communicatie op chipniveau moet de traditionele chips op basis van elektrische signalen op den duur voor een deel vervangen, wat de datasnelheid en het verbruik flink te goede moet komen.

"Ons signaal is meer dan tien keer zo coherent als dat van de meest smalbandige laser op een chip", zegt Klaus Boller van de vakgroep Laser Physics and Nonlinear Optics van UT-onderzoeksinstituut MESA+, Applied Nanophotonics. Zijn onderzoeksteam werkte bij de ontwikkeling samen met het bedrijf LioniX. Boller presenteerde de experimentele demonstratie van de kleine hybride laser tijdens een conferentie in München. De onderzoekers hebben hun werk voor publicatie aangeboden aan de Optical Society of America onder de noemer 290 Hz Intrinsic Linewidth from an Integrated Optical Chip-based Widely Tunable InP-Si3N4 Hybrid Laser.

Reacties (30)

[ANdrode]

Ter verduidelijking:

Als ik het goed opgezocht/begrepen heb wordt met "290 Hz bandbreedte" verwezen naar de variatie van de golflengte van de laser. Niet naar de schakelsnelheid van de laser

edit: 'variatie' toegevoerd. Veel betere uitleg hieronder door @mr32

[Reactie gewijzigd door ANdrode op 24 juli 2024 07:30]

[mr32]

Klopt, de daadwerkelijke golflengte van een dergelijke laser is ongeveer 1500nm, aangezien de dispersie (verlies) door het materiaal (bijvoorbeeld een glasvezel of een optische golfgeleider als Indium Fosfaat) het laagst is.
Dit vertaalt zich in het geval van InP naar een frequentie van 57THz, wat dan de 'center frequency' is. Het licht uit de laser is dan een verzameling van alle frequenties tussen 57THz +/-145Hz, wat inderdaad niet heel erg veel is voor een laser.

[Reactie gewijzigd door mr32 op 24 juli 2024 07:30]

[ANdrode]

Bij de frequentie van 57THz 'center frequency' is de spreiding dan +/- 145Hz 'Linewidth'.

=> Net zoals emissielijnen zoals bekend van de middelbare school natuurkunde.

Waardoor ontstaat de spreiding? En zijn deze grenzen vast of probabilistisch? Ik dacht dat de energieniveaus constant en discreet zijn. Wat voor mij dan overblijft is dat een foton ontstaat met een snelheid tov het laboratorium frame. Snelheid constant (licht) -> geobserveerde golflengte anders.

Voor mij voelt het aannemelijk dat door een quantum effect (mogelijk gewoon het onzekerheidsprincipe?) de locatie/snelheid van emissie tov laboratorium frame onbepaald is en effectief een verdeling oplevert.

[mr32]

Ik vermoed dat dit veroorzaakt wordt door de cavity. Dit is de 'ruimte' waarin de emissie plaatsvind. Het artikel is helaas niet openbaar, maar ik verwacht dat er aan beide zijden van de laser halfdoorlatende spiegels zitten (of iets als een bragg reflector) die zorgen voor verdere stimulatie van atomen en voor de coherentie van de golven die de laser verlaten. Door deze twee reflectoren kunnen er maar een beperkt aantal golflengtes bestaan in de cavity: de golflengte moet gelijk zijn aan de afstand tussen de reflectoren voor constructieve interferentie, maar door imperfecties passen er mogelijk meer andere golflengtes in.

[Reactie gewijzigd door mr32 op 24 juli 2024 07:30]

[Stoney3K]

Precies dat dus. In een 'grote' laser (zoals een gaslaser) heb je twee spiegels, één normale en een halfdoorlatende, die je precies evenwijdig moet uitlijnen om een bepaalde resonantie te krijgen. Het licht stuitert dan eindeloos heen en weer tot het vermogen te groot wordt en het aan de halfdoorlatende kant ontsnapt. De lasergolflengte is dan afhankelijk van het emissiespectrum van het medum (bijvoorbeeld argon, met een emissielijn op 488nm) en de afstand van de spiegels onderling.

In een laser worden de spiegels vaak voor een deel halfrond gemaakt zodat de brandpunten op elkaar vallen, waardoor op elkaar uitlijnen eenvoudiger wordt. Als je immers twee spiegels hebt die precies vlak zijn, dan hoeft er maar een fractie verschil te zitten in richting en je bent je resonantie kwijt.

Door de manier waarop die spiegels gemaakt zijn en door onzuiverheden in productie krijg je een verschil in onderlinge afstand, waardoor ook de golflengte waarop resonantie optreedt niet meer één golflengte is maar een smalbandig spectrum wordt.

Als je je laser dus zuiver monochromatisch wil hebben dan moet je die spiegels zo zuiver, vlak en evenwijdig mogelijk kunnen produceren.

[Reactie gewijzigd door Stoney3K op 24 juli 2024 07:30]

[Verwijderd]

De laser bestaat uit 2 onderdelen; een deel dat licht uitzendt (Indium Phosphide gain chip) en een deel dat de bandbreedte van het licht, en ook de golflengte van het licht controleert (TriPleX Silicium-nitride golfgeleider chip). De laser maakt gebruik van speciale optische filter-technieken die ervoor zorgen dat de laser zo smalbandig wordt. Het filter lijkt op een bragg-reflector alleen dan veel smalbandiger; er wordt gebruik gemaakt van zogeheten ring-resonatoren en micro-ring resonatoren. De bandbreedte van de laser wordt bepaald door de kwaliteit van de laser cavity (Q-factor in technische termen). In dit geval is de Q-factor van de laser vele malen hoger dan wat de rest van de wereld kan maken, en dat maakt deze laser zo bijzonder.

Bij een laser, net als bij een ouderwetse gloeilamp, bestaat het licht uit meerdere kleuren. Echter, hoe minder kleuren, hoe "beter" de laser. Dit noemen we smalbandigheid. De gepresenteerde laser heeft een bandbreedte van 290 Hz, terwijl een standaard telecom laser een bandbreedte heeft tussen de 1 MHz en 10 MHz. Smalbandiger betekent dat de laser stabieler is. Voor speciale toepassingen in telecommunicatie is een smalbandige laser beter, omdat daarmee nauwkeuriger gemeten kan worden (zaken als de bit-error rate etc. worden beter).

[kidde]

Bouwt dit voort op de publicatie uit 2015 'programmeerbare laser met Mach Zehnder couplers'?

https://www.osapublishing...optica-2-10-854&id=327064

Other drift-like fluctuations in the system control could be overcome by means of high-resolution tuning and adaptive control algorithms.

[Technomania]

Hz en licht? Die combi snap ik niet.

edit: Combi kan dus wel maar het is onmeetbaar

Licht: Rood licht heeft een frequentie van ongeveer 4,6 × 1014 Hz. Omdat een dusdanig hoge waarde door de huidige apparatuur onmogelijk te meten is, wordt de eigenschap van licht meestal uitgedrukt als golflengte. Rood licht komt dan overeen met ongeveer 650 nm (0,65 × 10−6m) en blauw/violet met 400 nm.

[Reactie gewijzigd door Technomania op 24 juli 2024 07:30]

[kobus71]

Kan je dat ook weer terug koppelen naar de kleurtemperatuur? Kelvin. Zo heeft wit licht een hoge temp van richting 10.000 Kelvin.

Aanvulling: Heb even gezocht maar kwam dit tegen op Wikipedia:De kleurtemperatuur van een lichtbron voor wit licht is gedefinieerd als de temperatuur van een hypothetisch zwart lichaam waarvan het uitgestraalde licht dezelfde kleurindruk geeft als de lichtbron. De kleurtemperatuur wordt meestal uitgedrukt in kelvin (K). Volgens de verschuivingswet van Wien neemt de golflengte van het uitgestraalde licht af met toenemende temperatuur en heeft blauwachtig licht (korte golflengte) een hogere kleurtemperatuur dan roodachtig licht. Dit is tegengesteld aan de indruk die het licht op de mens maakt. Licht met een lage kleurtemperatuur wordt als "warmer" ervaren dan licht met een hoge kleurtemperatuur.
https://nl.wikipedia.org/wiki/Kleurtemperatuur

[Reactie gewijzigd door kobus71 op 24 juli 2024 07:30]

[Verwijderd]

Wit licht is simpelweg licht waarin alle golflengtes die de mens kan waarnemen vertegenwoordigd zijn, grofweg van 400 nm (blauw) via 555 nm (groen, maximale gevoeligheid menselijk oog) tot 700 nm (rood).
De verhouding waarin de verschillende golflengtes/kleuren zijn vertegenwoordigd hangt samen met de kleurtemperatuur. Een zwarte straler met een hoge temperatuur (bijv de zon met 6000K of een TL-balk met 4000K) levert relatief meer blauw licht dan een lage temperatuur (bijv een gloeilamp met 2x00K). Door meer blauw licht ervaar je TL-licht als killer dan gezellig geel kaarslicht (al zijn het beide vormen van wit licht).

Overigens heeft lang niet alle verlichting een spectrum dat vergelijkbaar is met een zwarte straler. Een gloeilamp doet het goed omdat deze straalt door zijn temperatuur. Maar een TL-balk of witte LED gebruikt andere processen om licht te genereren. Sommige golflengtes zijn dan heel sterk aanwezig, of ontbreken juist. Hierdoor kunnen tinten van bijvoorbeeld kleding of meubels thuis of buiten heel anders zijn dan in de winkel.

Dan een laser. Deze heeft juist als eigenschap dat er slechts 1 golflengte (binnen een kleine marge) wordt uitgestraald. Hier hoort een kleur bij (kan ook onzichtbaar zijn voor de mens, infrarood bijv), maar hier is geen kleurtemperatuur aan te hangen omdat er geen sprake is van wit licht.

[kobus71]

Hartstikke bedankt voor je uitleg , top!

[Simyager]

Door meer blauw licht ervaar je TL-licht als killer dan gezellig geel kaarslicht (al zijn het beide vormen van wit licht).

Dat is dus gebaseerd op cultuur/regio. Mensen die in warmere landen wonen(lees:zuidelijker) vinden juist een blauwere (koudere) kleur aangenamer dan de gele (warmere) kleur.

[freakinlaser]

Licht is (ook) een electromagnetische golf. Die heeft dus een frequentie, alsmede een golflengte.
Die twee zijn met elkaar gekoppeld via de lichtsnelheid.

Voor golflengte wordt meestal de golflengte in vacuum gebruikt - in een medium met een brekingsindex anders dan 1, wordt de golflengte anders (maar blijft de frequentie gelijk).

[falcon1]

Zoals ik het begrepen heb: Licht is niet elektrisch en dus ook niet elektromagnetisch. Het twee verschillende deeltjes. Elektronen en Fotonen.

De theorie is dat alle deeltjes zowel een "iets" zijn als een "golfbeweging".

Licht is nauwelijks te manipuleren met magnetisme en wekt het ook nauwelijks op. Elektronen daarentegen wel.

Fotonen hebben weinig massa en bewegen zich daarom vrijwel rechtlijnig dus meestal als een golf beweging. Elektronen zijn zwaarder neigen meer aan andere deeltjes vast te zitten.

[Verwijderd]

Je haalt wat dingen door elkaar. Licht is op twee manieren te beschrijven:
1. Als elektromagnetische golf. Licht is een onderlinge wisselwerking tussen een magnetisch veld en een elektrisch veld. Deze velden staan loodrecht op elkaar, en oscilleren loodrecht op de richting van beweging van de golf (transversaal, anders dan een longitudinale golf zoals geluid of water). De frequentie van deze golf bepaalt, samen met de lichtsnelheid, de golflengte en daarmee de kleur van het licht.
2. Als deeltje, namelijk een foton. Een foton heeft geen massa, maar wel energie en impuls.

Je kan het in gedachten vergelijken met water: een rivier is een continue stroom water, net zoals zonlicht een stortvloed van licht is. Maar op het laagste niveau bestaat een rivier uit watermoleculen, en zonlicht uit fotonen.

Licht beweegt zich in principe in een rechte lijn, maar kan van richting veranderen door:
- reflectie (op een spiegel bijvoorbeeld)
- refractie (afbuiging wanneer het een ander medium binnengaat; als je van buiten het zwembad het water in kijkt heeft alles rare verhoudingen, maar als je onder water kijkt is alles weer normaal)
- interferentie (fotonen die elkaar beïnvloeden)
- zwaartekracht (algemene relativiteitstheorie van Einstein)

[Reactie gewijzigd door Verwijderd op 24 juli 2024 07:30]

[falcon1]

Ik denk dat het wel meevalt met dingen door elkaar halen. Het is een kwestie van perceptie. Ik verwacht het niet aan het juiste eind te hebben. Vandaar mijn begin "voor zover ik het begrepen heb."

We hebben het hier inmiddels over quantum mechanica. Dus een absoluut begrip is er nog niet.

Wikipedia:

quote: https://en.wikipedia.org/wiki/Light

In physics, the term light sometimes refers to electromagnetic radiation of any wavelength, whether visible or not.[4][5] In this sense, gamma rays, X-rays, microwaves and radio waves are also light. Like all types of light, visible light is emitted and absorbed in tiny "packets" called photons and exhibits properties of both waves and particles. This property is referred to as the wave–particle duality. The study of light, known as optics, is an important research area in modern physics.

Uiteindelijk heeft niemand nog een veld, electron, foton, gezien. Maar alleen de effecten. Dus het blijft lastig speculeren voor ons op prikkels/visueel ingestelde brein.

Jij googelt met velden en golfbewegingen en andere zaken die mogelijk niets met elkaar te maken hebben en mogelijk niet eens bestaan maar een manifestatie zijn van andere dynamieken.

[Verwijderd]

Ehm, mijn verhaal is simpelweg de brede consensus binnen de wetenschap op dit onderwerp.
Om op enkele van je uitspraken in te gaan:

Licht is niet elektrisch en dus ook niet elektromagnetisch.

Dit is simpelweg niet waar. Licht is niet elektrisch (zoals elektronen of ionen dat zijn), maar licht is altijd elektromagnetische straling: een wisselwerking van elektrisch en magnetisch veld.

Het twee verschillende deeltjes. Elektronen en Fotonen.

Elektronen en fotonen zijn inderdaad twee verschillende deeltjes. Maar er zijn nog veel meer verschillende deeltjes.

Fotonen hebben weinig massa en bewegen zich daarom vrijwel rechtlijnig

Fotonen hebben geen massa en bewegen zich exact rechtlijnig, behalve onder invloed van de effecten die ik noem.

Jij googelt met velden en golfbewegingen en andere zaken die mogelijk niets met elkaar te maken hebben

Even verder lezen en je zal zien dat de huidige kennis uitstekend kan beschrijven wat er gebeurt. Dat heeft niks met goochelen te maken.

Simpelweg stellen dat het een kwestie van perceptie is omdat je er niet genoeg van af weet doet geen recht aan de wetenschap (of mijn post).

[falcon1]

Bedankt. Een stuk duidelijkere response dan eerst. Licht refractie en reflectie waren niet aan de orde in eerdere berichten vandaar mijn reactie over googelen met woorden.

Je weet er duidelijk een goed deel van. Ik ben inderdaad verder gaan lezen wat het huidige consensus is. We worden allemaal verreikt met oude wetenschap en met interpretaties van anderen. En soms uitleg van anderen die het wel begrijpen maar door hun begrip vergeten context te vermelden.

Ik probeer slechts altijd voor ogen te houden dat wat iemand verteld wellicht niet altijd compleet is.

Wetenschap is we degelijk een kwestie van perceptie. De interpretatie van de waarnemingen.
http://chem.tufts.edu/answersinscience/relativityofwrong.htm

Ik heb jouw reactie niet geïnterpreteerd zoals je bedoeld hebt. Ik ga weer verder lezen en interpreteren.

[freakinlaser]

Ik vermoed dat de 1550 nm in de abstract slaat op de vacuum golflengte, wat dus betekent dat je ongeveer op 193 THz zit, met een bandbreedte van (inderdaad) +/- 145 Hz.

Dispersie slaat niet zozeer op verliezen, als wel op de golflengte afhankelijkheid van de brekingsindex van het medium.

[Grrrrrene]

Als ik het goed opgezocht/begrepen heb wordt met "290 Hz bandbreedte" verwezen naar de golflengte van de laser. Niet naar de schakelsnelheid van de laser

Dat lijkt me sterk aangezien zichtbaar licht frequenties heeft in de honderden THz (terahertz). 290Hz zit daar zover vanaf dat je niet meer van licht kunt spreken. Bovendien meet je golflengte in afstand (meestal nanometer), niet in frequentie

Edit: Oh, je bedoelt het waarschijnlijk anders dan je schrijft De 290Hz is de variatie op de frequentie en daarmee indirect ook op de golflengte, omdat die via de voortplantingssnelheid (in een glasvezel constant) aan elkaar gerelateerd zijn.

[Reactie gewijzigd door Grrrrrene op 24 juli 2024 07:30]

[Stoney3K]

[...]
Edit: Oh, je bedoelt het waarschijnlijk anders dan je schrijft De 290Hz is de variatie op de frequentie en daarmee indirect ook op de golflengte, omdat die via de voortplantingssnelheid (in een glasvezel constant) aan elkaar gerelateerd zijn.

En die kleine bandbreedte heeft dus weer invloed op de dispersie in een glasvezel, want de verschillen in afgelegde weg tussen de ene en de andere lichtpuls (en dus de verschillen in aankomsttijd) zijn daardoor kleiner.

Normaal wordt een scherpe puls die je in een glasvezel stopt 'uitgesmeerd' over de tijd door de eigenschappen van de laser en van de vezel waardoor hij wordt verzonden, net zoals dat in een elektrische kabel gebeurt.

Minder dispersie betekent dat je veel meer (transmissie) bandbreedte in één vezel kwijt kan en dat je dezelfde bandbreedte met minder vermogen kan bereiken.

[Reactie gewijzigd door Stoney3K op 24 juli 2024 07:30]

[Technomania]

Nee. Golflengte van een laser wordt gemeten in Nanometer

Bronnen:
https://nl.wikipedia.org/wiki/Laser_(licht)
https://nl.wikipedia.org/wiki/Nanometer

Tevens bepaald de golflengte de kleur.

[Reactie gewijzigd door Technomania op 24 juli 2024 07:30]

[MacFreek]

Dit is indrukwekkend nauwkeurig.

Ter indicatie, bij glasvezelnetwerken waarbij meer kleuren over 1 glasvezel gaan, wordt vaak gewerkt met een bandbreedte van 100, 50 of 25 GHz, dus 25000000000 Hz of meer. Dat is wellicht een ander toepassingsgebied, maar geeft aan dat 290 Hz best wel knap is.

Ik vraag me wel af of deze smalle bandbreedte niet ook een beperking kan zijn voor gebruik in fotonische chips (of netwerken). De Shannon limiet zegt immers dat de maximale hoeveel informatie die gestuurd kan worden afhankelijk is van deze bandbreedte. En dan kan ik me zo voorstellen dat 290 Hz juist misschien wel zo weinig is dat het de capaciteit van je fotonische chips beperkt. Is er iemand die hier iets zinnigs over kan zeggen?

Edit: kromme zinnen verbeterd, URL toegevoegd.

[Reactie gewijzigd door MacFreek op 24 juli 2024 07:30]

[thoravatahr]

Het begrip bandbreedte heeft verschillende betekenissen alhoewel er overeenkomsten tussen de betekenissen zijn.

Een bandbreedte betekent een frequentiedomein, een deelgebied van het volledige frequentiespectrum.

In de betekenis die jij gebruikt gaat het om die bandbreedte die aangeeft welk deel van het spectrum gebruikt wordt om informatie te transporteren. Dit vertaalt zich ook direct naar de datasnelheid waarmee die informatie kan worden getransporteerd, zoals je terecht aangeeft. Je kan je voorstellen dat als je een groter deel van het frequentiespectrum gebruikt je ook meer informatie kan doorgeven.

De bandbreedte waar het hier omgaat (wat eigenlijk niet bandbreedte mag heten, en ook in het artikel niet als zodanig wordt gebruikt) is de frequentieband waarbinnen de laser blijft. Zoals je weet heeft een laser een specifieke golflengte, omdat het de specifieke energie heeft die vrijkomt bij een verval van een electron uit een energie-band (atomic orbitals) naar zijn grondtoestand (andere band/atomic orbital met het laagst beschikbare energieniveau). Deze energie-banden zijn zeer fijn(-mazig). In theorie zijn ze exact gedefinieerd voor elke type atoom. Maar in de praktijk zit er toch een kleine afwijking op, vanwege temperatuur, botsingen en interacties tussen de atomen in het gas. Het is deze afwijking waar we het over hebben.

zie hier een voorbeeld: https://en.wikipedia.org/...m_neon_laser_spectrum.svg

Het spectrum van een laser is dus heel small, maar niet oneindig smal, vanwege kleine afwijkingen.

[BlackCurry]

Dus deze technologie word op ten duur toegepast in een soort fotonische transistor?

[Katanatje]

De eerste toepassing hiervoor is transferreren van data van punt A naar B (voor telecom / datacom). De sterkte van licht (fotonen) is vooral dat het erg weinig energie kost om het te transferreren over een grote afstand - in tegenstelling tot elektronen. Plus dat de bandbreedte een grootteorde groter kan zijn.

Het feit dat de laser hier on-chip kan gefabriceerd worden zorgt ervoor dat je geen aparte lasers meer nodig hebt (die groot / duur zijn), en je dus alles compacter kan maken, en dichter geintegreerd met de electronica. Dus uitendelijk goedkoper en energie efficienter.

[Racing_Reporter]

Mooie verengelsing, al gedacht aan 'doorvoeren' of ' transporteren'?

[Katanatje]

Bedankt voor de opmerking. Dat heb je als je te lang in de sector zit .

[Verbruggen]

Mooie ontwikkeling weer bij LPNO. Dergelijk kleine coherentie is een mooie vooruitgang. En ook leuk om een van je docenten eens op Tweakers voorbij te zien komen XD

[ephilippa]

Hehehe lees UT en laser.....en kan aan nix meer denken dan lekker knallen in unreal