Os pesquisadores desenvolveram uma nova fonte de luz integrada ao chip que pode transformar comprimentos de onda infravermelha em comprimentos de onda visíveis, que têm sido difíceis de produzir com tecnologia baseada em chips de silício. Esta abordagem flexível para geração de luz no chip está preparada para permitir instrumentação fotônica altamente miniaturizada que é fácil de fabricar e robusta o suficiente para usar fora do laboratório.

No Optica , O jornal da The Optical Society (OSA) para pesquisas de alto impacto, investigadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), Universidade de Maryland, e a Universidade do Colorado descrevem sua nova fonte de luz de oscilador paramétrico óptico (OPO) e mostram que ela pode produzir luz de saída com uma cor muito diferente, ou comprimento de onda, do que a luz de entrada. Além de criar luz em comprimentos de onda visíveis, o OPO gera simultaneamente comprimentos de onda do infravermelho próximo que podem ser usados ​​para aplicações de telecomunicações.

"Nossa abordagem de energia eficiente e flexível gera luz laser coerente em uma faixa de comprimentos de onda mais ampla do que o que é acessível a partir de lasers integrados com chip direto, "disse o líder da equipe de pesquisa Kartik Srinivasan." A criação de luz visível no chip pode ser usada como parte de dispositivos compactos altamente funcionais, como relógios atômicos baseados em chip ou dispositivos para análises bioquímicas portáteis. O desenvolvimento do OPO em uma plataforma fotônica de silício cria o potencial para a fabricação escalonável desses dispositivos em fundições de fabricação comercial, o que poderia tornar essa abordagem muito econômica. "

Explorando processos não lineares

Embora a resposta de um material à luz normalmente escala linearmente, as propriedades do material podem mudar mais rapidamente em resposta à luz em alta potência, que cria vários efeitos não lineares. OPOs são um tipo de laser que usa efeitos ópticos não lineares para criar uma faixa muito ampla de comprimentos de onda de saída.

Os pesquisadores queriam descobrir como pegar a emissão de laser em um comprimento de onda prontamente disponível com lasers de chip compacto e combiná-la com nanofotônica não linear para gerar luz laser em comprimentos de onda que de outra forma seriam difíceis de alcançar com plataformas fotônicas de silício.

"As tecnologias ópticas não lineares já são usadas como componentes integrais dos lasers nos melhores relógios atômicos do mundo e em muitos sistemas de espectroscopia de laboratório, "disse Xiyuan Lu, primeiro autor do artigo e bolsista de pós-doutorado do NIST-University of Maryland. "Ser capaz de acessar diferentes tipos de funcionalidade óptica não linear, incluindo OPOs, dentro da fotônica integrada é importante para a transição de tecnologias atualmente baseadas em laboratórios em plataformas que são portáteis e podem ser implantadas no campo. "

No novo trabalho, os pesquisadores projetaram um OPO baseado em um microring feito de nitreto de silício. Este componente óptico é alimentado por aproximadamente 1 miliwatt de potência do laser infravermelho - aproximadamente a mesma quantidade de potência encontrada em um apontador laser. Conforme a luz viaja ao redor do microring, ela aumenta em intensidade óptica até ser poderosa o suficiente para criar uma resposta óptica não linear em nitreto de silício. Isso permite a conversão de frequência, um processo não linear que pode ser usado para produzir um comprimento de onda de saída, ou frequência, isso é diferente da luz que entra no sistema.

"O progresso recente na engenharia nanofotônica tornou este método de conversão de frequência muito eficiente, "disse Lu." Um avanço chave em nosso trabalho foi descobrir como promover a interação não linear específica de interesse enquanto suprimia processos não lineares concorrentes em potencial que podem surgir neste sistema. "

Testando a fonte de luz

Os pesquisadores projetaram a nova fonte de luz no chip usando simulações eletromagnéticas detalhadas. Eles então fizeram o dispositivo e o usaram para converter a luz de entrada de 900 nanômetros em bandas de comprimento de onda de 700 nanômetros (visível) e comprimento de onda de 1300 nanômetros (telecomunicações). O OPO conseguiu isso usando menos de 2 por cento da potência do laser da bomba exigida pelos OPOs microrressonadores relatados anteriormente, desenvolvidos para gerar cores de saída amplamente separadas. Nos casos anteriores, ambas as cores geradas estavam no infravermelho. Com algumas mudanças simples nas dimensões do microring, a OPO também produziu luz nas bandas de telecomunicações do visível de 780 nm e de 1500 nanômetros.

Os pesquisadores dizem que o novo OPO poderia ser usado para fazer um sistema completo, combinando um laser de diodo comercial próximo ao infravermelho barato com um chip OPO que também integra componentes como filtros, detectores e uma seção de espectroscopia. Eles continuam procurando maneiras de aumentar a potência de saída gerada pelo OPO.

"Este trabalho demonstra que a nanofotônica não linear está atingindo um nível de maturidade em que podemos criar um projeto que conecta comprimentos de onda amplamente separados e, em seguida, obter controle de fabricação suficiente para realizar esse projeto, e o desempenho previsto, na prática, "disse Srinivasan." Indo em frente, deve ser possível gerar uma ampla faixa de comprimentos de onda desejados usando um pequeno número de lasers de chip compactos combinados com nanofotônicos não lineares flexíveis e versáteis. "