Os pesquisadores demonstraram a primeira cavidade de laser que pode confinar e propagar luz em qualquer forma imaginável, até mesmo caminhos com curvas e ângulos agudos. A nova cavidade, chamada de cavidade topológica, pode permitir que os componentes do laser sejam compactados de forma mais densa em um chip, levando a tecnologias de comunicação óptica de alta velocidade que podem ser fabricadas de uma maneira eficiente e escalável usando técnicas de integração fotônica.
Este artigo será publicado online pela revista Ciência na quinta feira, 12 de outubro, 2017
"Nosso objetivo é superar as limitações fundamentais dos dispositivos ópticos e descobrir novos princípios físicos que podem permitir o que antes era considerado impossível, "disse Boubacar Kanté, professor de engenharia elétrica e da computação na UC San Diego e autor sênior do estudo.
Na maioria dos lasers convencionais, a cavidade do laser precisa ter uma forma curva regular, normalmente um anel, para que as ondas de luz se propaguem e permaneçam na cavidade. Se a cavidade tiver uma curva fechada, parte dessa luz se espalha e se perde. Isso é por que, por exemplo, as fibras ópticas não podem ter dobras ou dobras.
"Quando você muda a forma da cavidade, você muda a forma como a luz fica confinada naquela cavidade, "disse Babak Bahari, um Ph.D. em engenharia elétrica. estudante da UC San Diego e o primeiro autor do artigo.
Não ser capaz de alterar a forma da cavidade também limita quantos componentes podem ser integrados em um chip fotônico. "Se pudermos deformar a forma da cavidade, podemos encaixá-lo facilmente em qualquer área de um chip sem interromper ou mover outros componentes. Isso nos daria mais liberdade para projetar componentes do chip e torná-los mais densos, dispositivos mais poderosos, "Kanté disse.
Agora, Kanté, Bahari e seus colegas introduziram uma maneira de fazer cavidades de laser de formatos arbitrários sem alterar suas propriedades.
Eles criaram uma estrutura que consiste em dois cristais fotônicos, um circundando o perímetro do outro. O cristal interno é cultivado com os mesmos materiais do cristal que o cerca, mas eles são conhecidos como topologicamente diferentes - eles podem ser descritos como tendo diferentes números de orifícios, como um bagel (um orifício) versus um pretzel (três orifícios). Os cristais também exibem uma propriedade em que ambos podem conduzir o mesmo comprimento de onda de luz por fora, enquanto atuam como isolantes por dentro. Ao colocar esses cristais juntos, os pesquisadores criaram uma cavidade na qual ondas de luz podem se propagar na interface entre os cristais.
Os pesquisadores chamam isso de cavidade topológica. Não é um espaço, mas a fronteira onde dois materiais topologicamente diferentes se encontram, Kanté apontou. Esta cavidade pode ter qualquer forma - triângulo, quadrado, um loop com bordas irregulares - e a luz pode circular dentro dessa forma sem se espalhar.
Para demonstrar a capacidade de lasing de seu dispositivo, os pesquisadores primeiro acoplaram um guia de ondas à cavidade. Em seguida, eles energizaram os cristais com luz de um laser de alta potência e aplicaram um campo magnético. Usando uma câmera infravermelha, eles observaram seu dispositivo emitindo um feixe de laser de baixa frequência em 1,55 micrômetros, um comprimento de onda comum para telecomunicações.
Outro recurso digno de nota é que este dispositivo possui um modo de laser não recíproco, o que significa que o feixe de laser só pode viajar em uma direção. Este não é o caso da maioria dos lasers existentes, que precisam de um dispositivo chamado isolador para ser colocado na frente da fonte e evitar que o feixe de laser volte e potencialmente destrua a cavidade. Os isoladores são geralmente dispositivos grandes e o novo trabalho pode, assim, eliminar a necessidade deles no futuro, Disse Kanté.
"Esse novo recurso nos permite fazer um laser autoprotegido, "Bahari disse.
Seguindo em frente, a equipe espera criar um dispositivo movido a eletricidade, o que o tornaria mais prático. Kanté também está planejando explorar mais a física fundamental das cavidades topológicas. Ele está particularmente interessado em investigar a densidade de tais cavidades em um chip. Esses estudos podem ser importantes para o processamento de informações quânticas e podem superar os limites de eficiência fundamentais dos sistemas atuais, ele disse.
