Durante décadas, os lasers ultrarrápidos estiveram entre as ferramentas mais poderosas da óptica moderna. Os seus impulsos duram apenas algumas centenas de femtossegundos, ou trilionésimos de segundo, permitindo tecnologias que vão desde o fabrico de precisão e cirurgia ocular até pentes de frequência óptica, a inovação ganhadora do Prémio Nobel que alimenta os relógios atómicos ópticos mais precisos do mundo.
Apesar de sua importância, esses lasers ainda são sistemas grandes e caros que ocupam todo o banco óptico.
Agora, investigadores liderados pelo Professor Tobias J. Kippenberg da Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) alcançaram um avanço que poderia reduzir significativamente a escala desta tecnologia. escrito em naturezaa equipe relata o primeiro laser ultrarrápido integrado capaz de igualar o desempenho dos lasers tradicionais de femtossegundos de mesa. O dispositivo fornece energia de pulso de 1,05 nanojoules e durações de pulso tão curtas quanto 147 femtossegundos, tudo a partir do chip fotônico.
Apresentando lasers ultrarrápidos em chips fotônicos
Os wafers fotônicos usam estruturas microscópicas chamadas guias de ondas gravadas no wafer para manipular a luz. Da mesma forma que os chips eletrônicos guiam os sinais elétricos, os chips fotônicos guiam e processam a luz.
Esses wafers já são amplamente utilizados em telecomunicações e ajudaram a miniaturizar muitas tecnologias ópticas que anteriormente exigiam dispositivos maiores.
“Por mais de duas décadas, os lasers de femtossegundos de alta energia de pulso no chip têm sido amplamente considerados o Santo Graal da fotônica integrada”, disse Kippenberger. “Nossos resultados mostram que isso não só é possível, mas pode ser alcançado através da integração de arquiteturas surpreendentemente elegantes que foram negligenciadas pela comunidade fotônica.”
Ofertas de design de laser negligenciadas
Para conseguir esse feito, os pesquisadores usaram uma arquitetura de laser chamada oscilador Mamishev, um projeto que tem recebido relativamente pouca atenção no campo da fotônica integrada.
O sistema coloca um guia de ondas não linear entre dois filtros, cada um transmitindo uma parte diferente do espectro. Quando um pulso intenso de laser passa pelo guia de ondas, ele se expande para uma gama mais ampla de cores. Uma porção do pulso ampliado pode então passar através de dois filtros e continuar a circular dentro da cavidade do laser.
A luz mais fraca se comporta de maneira diferente. Por não ser suficientemente largo, é bloqueado pelo filtro e retirado do ciclo.
“Este projeto é particularmente atraente porque não requer componentes que sejam difíceis de fabricar em pastilhas de nitreto de silício dopadas com érbio”, explica Zheru Qiu, co-autor principal do artigo.
Qiu disse que o design tem outra grande vantagem. Os chips fotônicos confinam a luz em guias de onda extremamente pequenos, fazendo com que a luz interaja fortemente consigo mesma. Em muitas arquiteturas de laser, esses efeitos não lineares podem tornar o pulso do laser instável. No entanto, os osciladores Mamishev são menos suscetíveis a estes problemas e são, portanto, particularmente adequados para dispositivos fotônicos integrados.
Dispositivo minúsculo, enorme potencial
A cavidade do laser tem 42 centímetros de comprimento, mas pode ser dobrada em um wafer aproximadamente do tamanho de uma cabeça de fósforo. Isso o torna muito menor do que os lasers ultrarrápidos tradicionais baseados em fibra.
Como os chips fotônicos podem ser fabricados no nível do wafer usando métodos semelhantes aos chips de computador, mais de 1.000 cavidades de laser podem ser produzidas simultaneamente. Essa vantagem de fabricação poderia reduzir significativamente o custo de lasers ultrarrápidos e, ao mesmo tempo, expandir sua usabilidade em aplicações de detecção, espectroscopia e medição de precisão.
“Com potência de pico na faixa de quilowatts, o chip pode conduzir aplicações exigentes que há muito dependem de lasers de laboratório grandes e caros”, disse Qiu.
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia poderá eventualmente levar a dispositivos portáteis e acessíveis para detecção de poluentes ambientais, identificação de defeitos ocultos em materiais e diagnósticos médicos. Também poderia ajudar a preparar o caminho para relógios atômicos ópticos compactos que poderiam desempenhar um papel importante em futuros sistemas de comunicação e navegação.
O trabalho envolveu pesquisadores do Instituto de Engenharia Elétrica e Micro da EPFL e do Helmholtz Zentrum Dresden-Rosendorf (HZDR).
