Snelle SWIR-chip ziet én zendt

Onderzoekers van de Universiteit Gent hebben een opto-elektronische component ontwikkeld die kortegolf-infraroodlicht, ook wel bekend als SWIR, zowel kan detecteren als uitzenden. Normaal zijn daarvoor twee afzonderlijke componenten nodig. De combinatie kan SWIR-systemen compacter en uiteindelijk goedkoper maken.

SWIR, oftewel short-wave infrared, bestrijkt golflengten die buiten het zichtbare spectrum liggen. Het licht kan onder meer door nevel en stof heen dringen en wordt daarnaast gebruikt om materialen te onderscheiden aan de hand van hun spectrale eigenschappen. Toepassingen lopen uiteen van LiDAR en machine vision tot voedselinspectie en biologische beeldvorming.

Tegenstrijdige eisen

De Gentse onderzoekers gebruiken hiervoor quantum dots: nanokristallen waarvan de optische eigenschappen nauwkeurig kunnen worden afgestemd. Ze kunnen vanuit een vloeistof worden verwerkt en bijvoorbeeld rechtstreeks op een chip worden aangebracht.

Tot nu toe moesten voor het opvangen en produceren van SWIR-licht doorgaans afzonderlijke componenten worden gebruikt. Het combineren van beide functies is lastig omdat ze tegengestelde eisen aan de actieve materiaallaag stellen. Voor een gevoelige fotodetector is een relatief dikke laag gunstig, zodat voldoende licht wordt geabsorbeerd. Een snelle en efficiënte led werkt juist beter met een dunne actieve laag. De onderzoekers lossen dat probleem op met een ultradunne laag hoogwaardige quantum dots in combinatie met een optische microcaviteit. Zo’n microcaviteit houdt licht als het ware tijdelijk gevangen tussen reflecterende structuren, waardoor de interactie tussen het licht en de quantum dots wordt versterkt. Daardoor kan dezelfde structuur in twee richtingen functioneren: als fotodetector die SWIR-straling omzet in een elektrisch signaal en als led die elektrische energie omzet in SWIR-licht.

Nanoseconden

Daarbij valt vooral de snelheid van het proces op. In detectiemodus reageert de component binnen slechts 2 nanoseconden. Bij het uitzenden van SWIR-licht bedraagt de reactietijd net iets langer, maar nog steeds veel korter dan een oogwenk: ongeveer 12 nanoseconden. Volgens de onderzoekers kan het samenbrengen van beide functies de integratie van SWIR-technologie in elektronische en fotonische systemen vereenvoudigen. Minder afzonderlijke onderdelen betekent potentieel ook een eenvoudiger productieproces.