Verbaasd over de snelle evolutie van het internet? Dit kan dankzij de snelle evolutie van optische technieken. Maar dit is nog maar het begin!

Verbaasd over de snelle evolutie van het internet? Snel internet met toepassingen zoals video-on-demand zijn mogelijk geworden dankzij de snelle groei van optische communicatietechnieken die het mogelijk gemaakt hebben dat de internet service providers een supersnelle backbone op een economisch rendabele manier konden aanleggen. Maar de revolutie gaat nog steeds verder: Nu werkt men aan de integratie van complexe optische functies op chips, zodat optische communicatie en de hoge snelheden die daarmee gehaald kunnen worden ook mogelijk worden tussen toestellen in huis of tussen onderdelen van een PC. Het onderzoeksdomein dat zich daarmee bezig houdt, is de micro- en nanofotonica.

De toepassingen rijken overigens verder dan enkel optische communicatie. Zo vinden we ook in biomedische sensoren toepassingen.

Accurate simulatie en modellering speelt een belangrijke rol in het ontwerpen en optimaliseren van de nanofotonische structuren. De toelaatbare toleranties bij fabricage zijn uitermate klein. Krachtige rekeninfrastructuur is aldus vereist voor het uitvoeren van dergelijke simulaties.

Geïntegreerde optische communicatie

Optische communicatie is sinds de doorbraak van het Internet gemeengoed geworden. De hoge bandbreedte van optische verbindingen laat toe om immense hoeveelheden data te versturen tussen computersystemen. Deze communicatieverbindingen zijn in hun huidige vorm typisch uitgevoerd op macroschaal, met name in de vorm van traditionele hardwarecomponenten die verbonden zijn met optische vezels (dewelke knooppunten verbinden op vele kilometers afstand). Verdere miniaturisatie van deze technologie en de integratie ervan op een chip laat toe om optische verbindingen ook toe te passen in gestandaardiseerde massaproductieprocessen. Op die manier worden een "fiber-to-the-home" internetaansluiting niet alleen technisch maar ook economisch mogelijk en kan optische communicatie koper ook in de zogenaamde "laatste kilometer" vervangen. Andere mogelijke toepassingen vinden we in chip-to-chip communicatie op moederborden van computersystemen, als hogesnelheidsverbinding tussen computers en randapparatuur (bv. voor synchronisatie tussen een PC en een iPod in enkele seconden), en verbindingen tussen computers in datacentra. Geïntegreerd op chip, heeft een dergelijke optische verbinding belangrijke troeven ten opzichte van electronische verbindingen. Enerzijds is er een enorme bandbreedte beschikbaar, anderzijds genereren optische verbindingen ook zeer lage hoeveelheden warmte, hetgeen toelaat verder te miniaturiseren en energie-bronnen efficiënt te benutten.

In optische verbindingen onderscheiden we enerzijds de lichtbron (dit is typisch een laser met een beperkte bandbreedte), anderzijds is er het medium waardoor het licht zich verplaatst (op macroschaal is dit typisch een glasvezel, op micro- of nanoschaal een zogenaamde waveguide). Voor integratie op chip wordt in Vlaanderen onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van een zogenaamde "quantum dot mode locked" laser met dimensies van 1 millimeter lengte en enkele tientallen micrometers breedte. Een accurate modellering van de laser (onder andere via simulaties) houdt rechtstreeks verband met de uiteindelijke performantie van het device na fabricage.

Op de VSC-clusters werd in dat verband een accurate driedimensionale simulatie gemaakt in ruimte en tijd (FDTD) van verschillende varianten van gratings voor toepassingen in deze laser. De grating bevindt zich in het hart van de laser en faciliteert de resonantie van het licht. Een dergelijke 3D FDTD simulatie maakt het mogelijk om reflecties goed in beeld te brengen, maar is anderzijds ook zeer rekenintensief (schaling met vierde macht). Door gebruik te maken van de supercomputer kan de simulatie geschaald worden over tientallen rekennodes en op die manier binnen enkele uren tot resultaat leiden, hetgeen toelaat om een grote reeks ontwerpen te evalueren.

Biomedische sensoren

Een tweede belangrijke toepassingsdomein van geïntegreerde fotonica is de biomedische sensor. De nood aan kosteffectieve en betrouwbare sensoren in biomedische toepassingen neemt voortdurend toe. Er wordt niet alleen naar gestreefd om de gevoeligheid en de detectielimieten van dergelijke sensors te verhogen. Even belangrijk zijn de mogelijkheden voor betrouwbare productie op grote schaal tegen beperkte kostprijs. Geïntegreerde fotonica biedt één van de mogelijke kaders om dergelijke sensoren te ontwerpen. In Vlaanderen is heel wat expertise op het vlak van label-free biomedische sensoren, gebaseerd op geïntegreerde fotonica. In een dergelijke sensor heeft de te detecteren molecule een lokale invloed op de brekingsindex, hetgeen een rechtstreekse indicator is voor de concentratie aan te meten biomolecules.

In Vlaanderen gebeurt onderzoek naar een nieuw type biomedische sensor, gebaseerd op fotonische kristallen. Een fotonisch kristal is een vlakke structuur van enkele micrometers dikte met daarin een tweedimensionale herhaling van gaten: het licht komt het fotonisch kristal lateraal binnen en straalt met een Lorentziaans profiel gedeeltelijk naar buiten volgens een bepaalde hoek. De te meten vloeistof stroomt over het fotonisch kristal en heeft een bepaalde brekingsindex. Wanneer de brekingsindex van de vloeistof wijzigt (omdat bepaalde concentraties aan stoffen in de vloeistof wijzigen), zal de hoek waarmee het licht naar buiten straalt veranderen. Op die manier kunnen de concentraties van bepaalde stoffen in de vloeistof gemeten worden.Op de VSC-clusters werden via de FDTD-techniek meerdere accurate simulaties uitgevoerd voor de performantie van dit type sensor in een standaardtest, met name het meten van de zoutconcentratie in een controlevloeistof. Op basis van deze simulaties kon het ontwerp van de sensor geoptimaliseerd worden voordat werd overgegaan tot prototype-fabricage.

Links

Met dank aan...

eze pagina kwam tot stand met de hulp van de UGent Photonics Research Group.