Forskare världen runt arbetar med att utveckla optiska kretsar, där ljuset kan styras med nanostrukturer. Dessa skulle kunna användas för framtida kretsar baserade på ljus (fotoner) istället för elektron - det vill säga fotonik istället för elektronik. Men det har visat sig vara omöjligt att uppnå perfekta fotoniska nanostrukturer:de är oundvikligen lite ofullkomliga. Nu har forskare vid Niels Bohr Institutet i samarbete med DTU upptäckt att ofullkomliga nanostrukturer kan erbjuda helt nya funktioner. De har visat att ofullständiga optiska chips kan användas för att producera "nanolaser", som är en ytterst kompakt och energieffektiv ljuskälla. Resultaten publiceras i den vetenskapliga tidskriften Naturens nanoteknik .

Forskarna arbetar med extremt små fotoniska kristallmembran - membranets bredd är 25 mikrometer, och tjockleken är 340 nanometer (1 nanometer är en tusendels mikrometer). Kristallerna är gjorda av det halvledande materialet galliumarsenid (GaAs). Ett mönster av hål etsas in i materialet på ett regelbundet avstånd av 380 nanometer. Hålen har funktionen att fungera som inbyggda speglar som reflekterar ljuset och kan därmed användas för att styra spridningen av ljuset i det optiska chippet. Forskarna har därför försökt åstadkomma en så perfekt regelbunden struktur av hål som möjligt för att styra ljuset i vissa optiska kretsar.

Oundviklig störning utnyttjas

Men i praktiken är det omöjligt att undvika små oegentligheter under tillverkningen av de optiska chipsen och detta kan vara ett stort problem, eftersom det kan leda till förlust av ljus och därmed minskad funktionalitet. Forskare vid Niels Bohr Institutet har nu vänt problemet med ofullkomligheter till en fördel.

"Det visar sig att de imperfekta optiska chipsen är extremt väl lämpade för att fånga ljus. När ljuset skickas in i det ofullkomliga chipset, det kommer att träffa de många små oregelbundna hålen, som reflekterar ljuset i slumpmässiga riktningar. På grund av de frekventa reflektionerna, ljuset fångas spontant i nanostrukturen och kan inte fly. Detta gör att ljuset kan förstärkas, vilket ger förvånansvärt goda förutsättningar för att skapa högeffektiva och kompakta lasrar, " förklarar Peter Lodahl, professor och chef för Quantum Photonic forskargruppen vid Niels Bohr Institutet vid Köpenhamns universitet.

Experimentera med inbyggt ljus

Forskarna i Quantum Photonics vid Niels Bohr Institute, ledd av professor Peter Lodahl och docent Søren Stobbe, designade den fotoniska kristallen och genomförde de experimentella studierna i forskargruppens laboratorier.

Ljuskällan är integrerad i den fotoniska kristallen själv och består av ett lager av konstgjorda atomer som avger ljus (ljusets grundläggande komponent är fotoner). Fotonerna skickas genom kristallen, som är klar som glas och har ett mönster av små hål. När en foton träffar ett hål reflekteras den och kanaliseras in i den så kallade vågledaren, som är ett "fotonspår" som kan användas för att leda fotonerna genom den fotoniska kristallen. Dock, på grund av de ofullkomliga hålen kommer ljuset att kastas fram och tillbaka i den fotoniska kristallens vågledare, intensifiera den och förvandla den till laserljus.

Resultatet är laserljus i nanometerskala och forskarna ser stor potential i detta.

Drömmen om ett kvantinternet

"Det faktum att vi kan styra ljuset och producera laserljus i nanometerskala kan användas för att skapa kretsar baserade på fotoner istället för elektroner, vilket banar väg för optisk kvantkommunikationsteknik i framtiden. Med inbyggda laserkällor, vi kommer att kunna integrera optiska komponenter och det gör det möjligt att bygga komplexa funktionaliteter. Vår ultimata dröm är att bygga ett "kvantinternet", där informationen är kodad i individuella fotoner, " förklarar Peter Lodahl och Søren Stobbe, som är exalterade över resultatet, som visar att den oundvikliga störningen i optiska chip inte är en begränsning och till och med kan utnyttjas under rätt förhållanden.