Kwantumdoosjes schakelen licht met licht

Binnen het Freebandproject “Towards Ultrafast Communication” is opnieuw een volledig optische schakelaar gerealiseerd waarmee licht met licht kan worden geschakeld. Dit is een wereldprimeur, want het actieve materiaal van deze schakelaar bestaat uit kwantumdoosjes.

In het laboratorium van Prof. Joachim Wolter, onderdeel van de onderzoekschool COBRA, hebben dr. Jos Haverkort en medewerkers een lichtbundel in het 1550 nanometer golflengtegebied optisch geschakeld, waarbij slechts een zeer geringe schakelenergie nodig was van ongeveer 6 femtojoule.

Kwantumdoosjes zijn druppeltjes halfgeleidermateriaal met afmetingen van slechts enkele nanometers. De kwantummechanische eigenschappen van deze druppeltjes dragen zorg voor grote brekingsindex niet-lineariteiten, waardoor een zeer efficiënte schakelaar is ontstaan. Samen met de recentelijk behaalde doorbraak met een ultrasnelle optische schakelaar (zie het artikel Ultrasnelle “Optische Transistor” brengt TUC doelstelling dichterbij) betekent de thans behaalde ultralage schakelenergie een belangrijke stap op weg naar een ultrasnelle volledig optische schakelaar met hoge herhalingsfrequentie.

Figuur 1: Optisch schakelen in kwantumdoosjes. Als functie van het optische pompvermogen bij 1450 nm neemt de hoeveelheid licht van de aftastlaser (1530-1570 nm) in de gekruiste uitgang af, ten gunste van de hoeveelheid licht in de rechtdoorgaande uitgang.

Voor de realisatie van ultrasnelle schakelaars moet niet alleen de schakelsnelheid in het femtoseconde tijdsdomein liggen, maar moet tevens de schakelenergie worden teruggebracht naar enkele femtojoules, want in een 1 mW bundel licht met 1012 pulsjes/sec, is de beschikbare pulsenergie immers slecht 1 femtojoule. Kwantumdoosjes bieden uitstekende mogelijkheden voor een reductie van de schakelenergie. In deze kwantumdoosjes worden de toestanden van de deeltjes volledig kwantummechanisch beschreven. Hierdoor ontstaan discrete energietoestanden met een zeer hoge piekabsorptie en dus ook een hoge brekingsindex niet-lineariteit. Bovendien kan met de absorptie van slechts één foton het kwantumdoosje worden gevuld met 1 elektron en 1 gat. Door dit principe van “toestandsvulling” verandert de brekingsindex van het materiaal. Omdat 1 enkel geabsorbeerd foton al aanleiding geeft tot een brekingsindex niet-lineariteit, is de schakelenergie in principe extreem laag.

De kwantumdoosjes (QDs) zijn gegroeid in een golfgeleider met Moleculaire Bundel Epitaxie door dr. Richard Nötzel en medewerkers. Vervolgens zijn door dr. Jos van der Tol en medewerkers de golfgeleiders met de QDs geprocessed tot een Mach-Zehnder Interferometrische schakelaar. Door met een pompbundel licht van 1450 nm één van de armen van de interferometer te belichten, kon een tweede bundel licht van een aftastlaser (1530-1570 nm) worden geschakeld, zoals te zien is in figuur 1. Uit deze meting kan een schakelenergie van 6 femtojoule geabsorbeerde energie worden berekend. De schakelaar bleek bovendien golflengte ongevoelig door gebruik te maken van een spreiding in de afmetingen van de QDs.