Pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder desenvolveram microrressonadores ópticos de alto desempenho que poderiam suportar uma nova geração de tecnologias de sensores poderosas.
Um microrressonador é uma estrutura microscópica projetada para confinar a luz em um espaço pequeno. À medida que a luz circula no interior, sua intensidade aumenta. Quando esta intensidade atinge níveis suficientes, os cientistas podem realizar processos ópticos especializados para permitir a detecção e outras funções avançadas.
“Nosso trabalho é usar menos energia óptica nesses ressonadores para uso futuro”, disse Bright Lu, estudante de doutorado do quarto ano em engenharia elétrica e de computação e principal autor do estudo. “Um dia, esses microrressonadores poderão ser adaptados para uso em sensores que vão desde navegação até identificação de produtos químicos.”
O estudo foi publicado em Cartas de Física Aplicada.
O design do ressonador da pista reduz a perda de luz
Para obter um desempenho mais forte, a equipe se concentrou em ressonadores de “pista de corrida”, nomeados por seu formato de anel alongado que lembra uma pista de corrida.
Eles usaram “curvas Eulerianas” – curvas suaves também encontradas em projetos de estradas e ferrovias. Assim como um veículo não consegue fazer uma curva em ângulo reto com rapidez e rapidez, a luz não consegue negociar com eficácia uma curva acentuada.
“Essas curvas da pista minimizam as perdas por flexão”, disse Won Park, professor Shepard de Engenharia Elétrica e co-orientador do projeto. “Nossas escolhas de design são as principais inovações deste projeto.”
Ao direcionar a luz através de curvas graduais e cuidadosamente projetadas, os pesquisadores limitaram significativamente a quantidade de luz que escapou. Isso permite que os fótons circulem mais tempo dentro do ressonador e interajam com mais força.
Lu explicou que muita perda de luz pode impedir que o dispositivo atinja a alta intensidade necessária para funcionar de maneira ideal.
Nanomachining de precisão por COSINC
Os microrressonadores foram fabricados usando um novo sistema de litografia por feixe de elétrons na sala limpa da Colorado Shared Instrumentation for Nanofabrication and Characterization (COSINC).
Essas instalações mantêm condições rigorosamente controladas que são críticas para a produção de equipamentos confiáveis em escalas extremamente pequenas. Muitos componentes ópticos e fotônicos são menores que a largura de um pedaço de papel, portanto, mesmo pequenas partículas de poeira ou pequenas imperfeições superficiais podem interferir na maneira como a luz passa através deles.
“A litografia tradicional utiliza fótons, que são fundamentalmente limitados pelo comprimento de onda da luz”, disse Lu. “No entanto, a litografia por feixe de elétrons não tem tais limitações. Usando elétrons, podemos obter estruturas com resolução subnanométrica, o que é crucial para nossos microrressonadores.”
Lew descreve o processo de fabricação como uma das partes mais gratificantes do projeto.
“A sala limpa é muito legal. Você está trabalhando com essas máquinas enormes e precisas, e então você pode ver imagens das estruturas que você fez com apenas mícrons de largura. É realmente gratificante transformar um filme de vidro em um circuito óptico funcional.”
O vidro de calcogeneto atinge desempenho de perda ultrabaixa
Um marco importante para a equipe foi a construção bem-sucedida do dispositivo usando calcogenetos, uma família especial de vidros semicondutores.
“Esses calcogenetos são excelentes materiais para fotônica devido à sua alta transparência e não linearidade”, disse Parker. “Nosso trabalho é um dos, senão o melhor, dispositivo de desempenho usando calcogenetos.”
Os calcogenetos permitem a passagem de luz forte com perdas mínimas, o que é crucial para microrressonadores de alto desempenho. Ao mesmo tempo, são materiais desafiadores para processar e exigem um equilíbrio cuidadoso durante a fabricação.
“O calcogeneto é um material difícil, mas benéfico para dispositivos fotônicos não lineares”, disse a professora Juilet Gopinath, que trabalha com Park no projeto há mais de 10 anos. “Nossos resultados mostram que minimizar as perdas por flexão pode permitir que dispositivos de perdas ultrabaixas concorram com dispositivos de última geração em outras plataformas de materiais.”
Testes de laser e medições de ressonância
Após a fabricação, os dispositivos foram avaliados sob a liderança de James Erikson, Ph.D. estudante de física especializado em medições de laser. Ele alinhou com precisão os lasers com guias de onda microscópicos para enviar luz para dentro e para fora do ressonador enquanto monitorava seu comportamento interno.
A equipe procurou por “quedas” no sinal de luz transmitido que indicassem ressonância, que ocorre quando os fótons ficam presos e circulam dentro da estrutura. Ao estudar a forma dessas depressões, eles conseguiram determinar propriedades como absorção e efeitos térmicos.
“O indicador mais óbvio da qualidade do dispositivo é o formato das ressonâncias, e queremos que sejam profundas e estreitas, como agulhas perfurando o fundo do sinal”, disse Erickson. “Há muito tempo que procurávamos esse tipo de ressonador e, quando vimos a ressonância nítida neste novo dispositivo, soubemos imediatamente que finalmente havíamos decifrado o código.”
Erickson observou que compreender a quantidade de luz absorvida em comparação com a quantidade de luz transmitida é fundamental para o desempenho do dispositivo. O aumento da potência do laser pode gerar calor, o que pode alterar as propriedades do material e até danificar o equipamento.
“A forma como a maioria dos materiais interage com a luz também muda dependendo da temperatura do material”, disse Erikson. “Assim, quando um dispositivo aquece, suas propriedades mudam e fazem com que ele funcione de maneira diferente”.
Rumo a microlasers e fotônica quântica
No futuro, esses microrressonadores poderão ser usados para criar microlasers compactos, sensores químicos e biológicos altamente sensíveis e metrologia quântica e ferramentas de rede.
“Muitos componentes fotônicos de lasers, moduladores e detectores estão sendo desenvolvidos, e microrressonadores como o nosso ajudarão a conectar todos esses componentes”, disse Lu. “Em última análise, o objetivo é fazer algo que possa ser dado a um fabricante e transformado em centenas de milhares.”
