Gepompt fotonisch kristal versnelt langzaam licht
Het lijkt paradoxaal maar langzaam licht kan telecommunicatie versnellen. Langzaam licht vertoont een verhoogde effectieve licht-materie interactie. Hierdoor komt de allersnelste manier om licht te schakelen, namelijk licht met licht schakelen, binnen bereik. Onderzoekers van de Nano-Optica groep van het FOM-instituut AMOLF en de universiteit van St. Andrews (UK) laten zien hoe ze een langzame lichtflits sneller uit een fotonisch kristal kunnen laten komen door met een tweede laserflits op het kristal te schijnen. Deze week publiceren ze hun resultaten over het versnellen van langzaam licht in het toonaangevende Physical Review Letters. Eerder in 2012 verscheen van hun hand al een Physical Review Letters over het actief vertragen van langzaam licht.
Fotonische kristallen zijn nanostructuren waarin twee of meer materialen met (sterk) verschillende brekingsindices in een regelmatig patroon zijn gerangschikt. Door de periodieke rangschikking van de materialen vertoont licht in zo'n kristal overeenkomsten met elektronen in een geordende vaste stof: de relatie tussen golflengte en frequentie (kleur) wordt beschreven met een fotonische bandenstructuur. Een van de belangrijke gevolgen van deze bandenstructuur is dat licht voor bepaalde frequenties langzaam wordt.
Langzaam licht vertoont een verhoogde licht-materie interactie. Als gevolg daarvan reageert het sterker op veranderingen van de brekingsindex van het fotonische kristal. Zo is er een kleinere verandering van de brekingsindex nodig om langzaam licht te schakelen dan om sneller licht te schakelen. Een brekingsindex van een materiaal kan veranderd worden met behulp van een externe parameter: temperatuur, druk, elektrisch veld, et cetera, maar ook met licht. Dit laatste is echter moeilijk omdat de veranderingen klein zijn. Er zijn dus krachtige (en dure) lasers nodig om slechts een minieme verandering te bewerkstelligen. Omdat langzaam licht gevoeliger is, wordt licht met licht schakelen makkelijker.
De onderzoekers van AMOLF en de universiteit van St. Andrews laten zien dat ze langzaam licht met licht kunnen schakelen. Ze creëren een langzame lichtflits door deze in een golfgeleider in een fotonisch kristal te sturen. Wanneer de lichtflits in haar geheel in het kristal zit, gebruiken ze een tweede lichtflits -de pomp- om de brekingsindex van het kristal te veranderen. Hierdoor verschiet het langzame licht van kleur: het verschuift richting blauwer, maar de snelheid verandert niet. Door echter niet het hele fotonische kristal te pompen, maar slechts het deel waarin de langzame lichtflits zich bevindt, zorgen de onderzoekers ervoor dat er effectief twee verschillende fotonische kristallen ontstaan: één waar de blauw-verschoven lichtflits langzaam is en één -het ongepompte deel- waarin deze blauwere lichtflits sneller beweegt dan een 'ongepompte' flits. In feite hebben de onderzoekers een zogeheten indirecte overgang veroorzaakt van het licht: het licht is zowel in frequentie als in golflengte (golfvector) verschoven. Met behulp van de intensiteit van de pomplaser kunnen de onderzoekers nu het tijdstip regelen waarop de lichtflits uit de structuur komt.
Eerder dit jaar liet hetzelfde team al zien hoe langzaam licht juist kon worden vertraagd met behulp van een externe lichtflits. De mogelijkheid om licht zowel te versnellen als te vertragen, maakt het mogelijk om optisch dataverkeer te regelen. Door licht met licht te schakelen in plaats van met elektronica kan de bandbreedte van telecommunicatie met een factor 10-100 worden verhoogd.
Publicaties
Daryl M. Beggs, Isabella H. Rey, Tobias Kampfrath, Nir Rotenberg, L. Kuipers, and Thomas F. Krauss, Ultrafast Tunable Optical Delay Line Based on Indirect Photonic Transitions, Phys. Rev. Lett. 108, 213901 (2012),
Daryl M. Beggs, Thomas F. Krauss, L. Kuipers and Tobias Kampfrath, Ultrafast tilting of the dispersion of a photonic crystal and adiabatic spectral compression of light pulses, Phys. Rev. Lett. 108, 033902 (2012).
Voor meer informatie: prof.dr. L. (Kobus) Kuipers, (020) 754 71 00.