Os cientistas de Yale criaram um novo tipo de laser de silício que usa ondas sonoras para amplificar a luz. Um estudo sobre a descoberta aparece em 8 de junho na edição online da revista. Ciência .

Nos últimos anos, tem havido um interesse crescente em traduzir tecnologias ópticas - como fibra óptica e lasers de espaço livre - em minúsculos circuitos ópticos ou "fotônicos" integrados. Usar luz em vez de eletricidade para circuitos integrados permite enviar e processar informações em velocidades que seriam impossíveis com a eletrônica convencional. Os pesquisadores dizem que a fotônica de silício - circuitos ópticos baseados em chips de silício - são uma das plataformas líderes para tais tecnologias, graças à sua compatibilidade com a microeletrônica existente.

"Vimos uma explosão de crescimento em tecnologias fotônicas de silício nos últimos anos, "disse Peter Rakich, um professor associado de física aplicada em Yale que liderou a pesquisa. "Não estamos apenas começando a ver essas tecnologias entrarem em produtos comerciais que ajudam nossos data centers a funcionar perfeitamente, também estamos descobrindo novos dispositivos fotônicos e tecnologias que podem ser transformadoras para tudo, desde o biossensor até a informação quântica em um chip. É realmente um momento emocionante para o campo. "

Os pesquisadores disseram que esse rápido crescimento criou uma necessidade urgente de novos lasers de silício para alimentar os novos circuitos - um problema que tem sido historicamente difícil devido ao bandgap indireto do silício. "Propriedades intrínsecas do silício, embora muito útil para muitas tecnologias ópticas em escala de chip, torna extremamente difícil gerar luz laser usando corrente elétrica, "disse Nils Otterstrom, um estudante de graduação no laboratório de Rakich e o primeiro autor do estudo. "É um problema que bloqueou os cientistas por mais de uma década. Para contornar esse problema, precisamos encontrar outros métodos para amplificar a luz em um chip. No nosso caso, usamos uma combinação de ondas de luz e som. "

O design do laser encurrala a luz amplificada dentro de uma forma de pista de corrida - prendendo-a em movimento circular. "O design da pista de corrida foi uma parte fundamental da inovação. Dessa forma, podemos maximizar a amplificação da luz e fornecer o feedback necessário para que o laser ocorra, "Otterstrom disse.

Para amplificar a luz com som, o laser de silício usa uma estrutura especial desenvolvida no laboratório de Rakich. "É essencialmente um guia de onda em nanoescala projetado para confinar fortemente as ondas de luz e som e maximizar sua interação, "Rakich disse.

"O que é único neste guia de ondas é que existem dois canais distintos para a propagação da luz, "adicionou Eric Kittlaus, um co-autor do estudo e um aluno de pós-graduação no laboratório Rakich. "Isso nos permite moldar o acoplamento luz-som de uma forma que permite designs de laser notavelmente robustos e flexíveis."

Sem este tipo de estrutura, os pesquisadores explicaram, a amplificação da luz pelo som não seria possível no silício. "Pegamos as interações luz-som que estavam virtualmente ausentes nesses circuitos ópticos, e os transformaram no mecanismo de amplificação mais forte do silício, "Rakich disse." Agora, somos capazes de usá-lo para novos tipos de tecnologias de laser que ninguém pensava serem possíveis 10 anos atrás. "

Otterstrom disse que havia dois desafios principais no desenvolvimento do novo laser:"Primeiro, projetar e fabricar um dispositivo onde a amplificação supera a perda, e, em seguida, descobrir a dinâmica contra-intuitiva deste sistema, "disse ele." O que observamos é que, embora o sistema seja claramente um laser óptico, também gera ondas hipersônicas muito coerentes. "

A equipe de pesquisa disse que essas propriedades podem levar a uma série de aplicações potenciais, desde osciladores integrados a novos esquemas de codificação e decodificação de informações. "Usando silício, podemos criar uma infinidade de designs de laser, cada um com uma dinâmica única e aplicações potenciais, "disse o co-autor Ryan Behunin, professor assistente na Northern Arizona University e ex-membro do laboratório Rakich. "Esses novos recursos expandem drasticamente nossa capacidade de controlar e moldar a luz em circuitos fotônicos de silício."