Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e da Universidade de Maryland desenvolveram uma tecnologia de microchip que pode converter luz laser infravermelha invisível em qualquer uma de uma panóplia de cores de laser visíveis, incluindo vermelho, laranja, amarelo e verde. Seu trabalho fornece uma nova abordagem para gerar luz laser em microchips integrados.

A técnica tem aplicações em cronometragem de precisão e ciência da informação quântica, que muitas vezes dependem de sistemas atômicos ou de estado sólido que devem ser acionados com luz laser visível em comprimentos de onda precisamente especificados. A abordagem sugere que uma ampla gama de tais comprimentos de onda pode ser acessada usando um único, plataforma de pequena escala, em vez de exigir volumoso, lasers de mesa ou uma série de diferentes materiais semicondutores. A construção de tais lasers em microchips também fornece uma maneira de baixo custo para integrar lasers com circuitos ópticos em miniatura necessários para relógios ópticos e sistemas de comunicação quântica.

O estudo, relatado na edição de 20 de outubro de Optica , contribui para o NIST on a Chip, um programa que miniaturiza a tecnologia de ciência de medição de última geração do NIST, permitindo que seja distribuído diretamente aos usuários da indústria, Medicina, defesa e academia.

Os sistemas atômicos que formam o coração dos relógios experimentais mais precisos e precisos e novas ferramentas para a ciência da informação quântica normalmente dependem de luz laser visível (óptica) de alta frequência para operar, ao contrário das microondas de frequência muito mais baixa que são usadas para definir a hora oficial em todo o mundo.

Os cientistas estão agora desenvolvendo tecnologias de sistemas ópticos atômicos que são compactos e operam em baixa potência para que possam ser usados ​​fora do laboratório. Embora muitos elementos diferentes sejam necessários para concretizar essa visão, um ingrediente chave é o acesso a sistemas de laser de luz visível que são pequenos, leve e operar em baixa potência.

Embora os pesquisadores tenham feito um grande progresso na criação de compactos, lasers de alto desempenho nos comprimentos de onda do infravermelho próximo usados ​​em telecomunicações, tem sido um desafio atingir um desempenho equivalente em comprimentos de onda visíveis. Alguns cientistas deram passos largos empregando materiais semicondutores para gerar lasers compactos de luz visível. Em contraste, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan e seus colegas do NIST e da Universidade de Maryland em College Park adotaram uma abordagem diferente, focando em um material chamado nitreto de silício, que tem uma resposta não linear pronunciada à luz.

Materiais como nitreto de silício têm uma propriedade especial:se a luz que entra tem intensidade alta o suficiente, a cor da luz que sai não corresponde necessariamente à cor da luz que entrou. Isso ocorre porque, quando os elétrons ligados em um material óptico não linear interagem com a luz incidente de alta intensidade, os elétrons re-irradiam essa luz em frequências, ou cores, que diferem daqueles da luz incidente.

(Este efeito contrasta com a experiência cotidiana de ver a luz refletida em um espelho ou refratada através de uma lente. Nesses casos, a cor da luz sempre permanece a mesma.)

Lu e seus colegas empregaram um processo conhecido como oscilação óptica paramétrica de terceira ordem (OPO), em que o material não linear converte a luz incidente no infravermelho próximo em duas frequências diferentes. Uma das frequências é mais alta do que a da luz incidente, colocando-o na faixa visível, e o outro tem menor frequência, estendendo-se mais profundamente no infravermelho. Embora os pesquisadores tenham empregado o OPO por anos para criar diferentes cores de luz em grande escala, instrumentos ópticos de mesa, o novo estudo liderado pelo NIST é o primeiro a aplicar esse efeito para produzir comprimentos de onda de luz visível específicos em um microchip com potencial para produção em massa.

Para miniaturizar o método OPO, os pesquisadores direcionaram a luz do laser infravermelho próximo a um microrressonador, um dispositivo em forma de anel com menos de um milionésimo de metro quadrado de área e fabricado em um chip de silício. A luz dentro deste microrressonador circula cerca de 5, 000 vezes antes de se dissipar, construir uma intensidade alta o suficiente para acessar o regime não linear, onde é convertido para as duas frequências de saída diferentes.

Para criar uma infinidade de cores visíveis e infravermelhos, a equipe fabricou dezenas de microrressonadores, cada um com dimensões ligeiramente diferentes, em cada microchip. Os pesquisadores escolheram cuidadosamente essas dimensões para que os diferentes microrressonadores produzissem luz de saída de cores diferentes. A equipe mostrou que essa estratégia permitia que um único laser infravermelho próximo, que variava em comprimento de onda em uma quantidade relativamente pequena, gerasse uma ampla gama de cores específicas de luz visível e infravermelho.

Em particular, embora o laser de entrada opere em uma faixa estreita de comprimentos de onda do infravermelho próximo (de 780 nanômetros a 790 nm), o sistema de microchip gerou cores de luz visível variando de verde a vermelho (560 nm a 760 nm) e comprimentos de onda infravermelha variando de 800 nm a 1, 200 nm.

"O benefício de nossa abordagem é que qualquer um desses comprimentos de onda pode ser acessado apenas ajustando as dimensões de nossos microrressonadores, "disse Srinivasan.

"Embora seja uma primeira demonstração, "Lu disse, "Estamos entusiasmados com a possibilidade de combinar esta técnica de óptica não linear com a tecnologia de laser infravermelho próximo bem estabelecida para criar novos tipos de fontes de luz no chip que podem ser usados ​​em uma variedade de aplicações."