Um novo chip fotônico pode dobrar a frequência (f) da luz que entra usando um anel circular de 23 mícrons de diâmetro. O anel é adaptado para gerar e manter a luz na frequência de entrada e em seu segundo harmônico (2f) - assim como cordas de piano ou tubos de órgão podem hospedar harmônicos de um único tom. A cor indica cristas e vales do campo de luz, semelhante ao padrão de deslocamento de uma corda de piano quando toca. Crédito:Xiyuan Lu / NIST e UMD
A era digital viu a eletrônica, incluindo chips de computador, encolher de tamanho em uma taxa incrível, com chips cada vez menores alimentando dispositivos como smartphones, laptops e até drones autônomos. Na esteira desse progresso, outra tecnologia em miniatura está ganhando força:a fotônica integrada.
Fótons, que são as partículas quânticas de luz, têm algumas vantagens sobre os elétrons, os homônimos da eletrônica. Para alguns aplicativos, os fótons oferecem transferência de informações mais rápida e precisa e usam menos energia do que os elétrons. E como a fotônica on-chip é amplamente construída usando a mesma tecnologia criada para a indústria de eletrônicos, eles carregam a promessa de integrar eletrônica e fotônica no mesmo chip.
Minúsculos chips fotônicos já foram adotados em muitos lugares, incluindo redes de telecomunicações (pense em internet de fibra ótica) e grandes centros de dados (pense em interface de fibra ótica com eletrônica). Outras indústrias estão prestes a se beneficiar da fotônica, com fabricantes de automóveis autônomos desenvolvendo chips de radar baseados em luz. Contudo, muitas ferramentas que estão bem estabelecidas na ótica tradicional - coisas que usam lasers, lentes e outros equipamentos volumosos - ainda não têm um análogo fotônico compacto. Para ferramentas futurísticas, como computadores quânticos baseados em luz ou relógios ópticos portáteis, mais trabalho resta para empacotar tudo junto.
Agora, pesquisadores da JQI adicionaram uma nova ferramenta ao kit de ferramentas de fotônica:uma maneira de usar silício, o material nativo para grande parte da eletrônica digital e fotônica, para dobrar com eficiência a frequência da luz do laser. Ao combinar duas técnicas existentes, a equipe alcançou uma eficiência de duplicação de frequência 100 vezes maior do que os experimentos anteriores com compostos de silício. Eles detalharam seus resultados em um artigo publicado na revista. Nature Photonics .
As ondas de luz são feitas de fótons, mas eles também carregam uma frequência. Nossos olhos veem uma pequena fração dessas frequências como as cores do arco-íris, mas microondas, Raios-X e ondas de rádio (entre outros) também habitam esse espectro. Dobrar a frequência da luz é uma maneira de converter entre essas diferentes faixas. No novo trabalho, a equipe demonstrou uma duplicação da luz infravermelha - comumente usada em telecomunicações ópticas - para a luz vermelha, a linguagem de relógios atômicos muito precisos.
A duplicação da frequência é um efeito que pode ocorrer quando a luz interage com o meio pelo qual está viajando, seja ar, água ou silício. Dependendo das propriedades desses materiais, um pouco da luz pode ser duplicada, triplicado, ou, em casos extremos, multiplicado em graus ainda mais elevados, como uma nota musical também gerando um pouco de som, dois, ou várias oitavas acima. Ao escolher o material certo, e iluminando-o da maneira certa, os pesquisadores podem chegar ao harmônico de que precisam.
Infelizmente, silício e compostos de silício - os materiais escolhidos para direcionar a luz em um chip devido à maturidade da fabricação de silício e à facilidade de integração com a eletrônica - não suportam intrinsecamente a duplicação de frequência. A estrutura do cristal é muito uniforme, o que significa que tem a mesma aparência em todas as direções. Isso proíbe o efeito de duplicação, que depende de elétrons no material se deslocando mais para um lado do que para outro sob a influência da luz. Mas, uma vez que a luz é confinada a um pequeno traço em um chip, as coisas ficam um pouco menos uniformes:Afinal, o ar está sempre por perto, e não se parece em nada com um cristal de silício. Então, uma pequena quantidade de luz com freqüência duplicada é gerada, mas geralmente não é o suficiente para ser útil.
No novo trabalho, uma equipe liderada pelo JQI Fellow Kartik Srinivasan, um membro do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), e o pesquisador de pós-doutorado do NIST e UMD Xiyuan Lu, combinou duas técnicas exploradas anteriormente para construir este pequeno efeito, gerando 100 vezes mais frequência de luz duplicada do que qualquer experimento anterior de silício. Adicionalmente, sua duplicação ocorreu com uma eficiência de 22%, apreciável o suficiente para ser útil em aplicações.
O primeiro truque era capturar a luz em um ressonador, fazendo a luz girar e girar e disparar o minúsculo efeito de duplicação indefinidamente. Para alcançar isto, os pesquisadores primeiro encaminharam a luz do infravermelho próximo a uma fibra óptica. A fibra então disparou a luz em um guia de onda de nitreto de silício impresso em um chip de silício. Este guia de ondas levou a outro guia de ondas, que foi enrolado em um círculo de apenas 23 mícrons de diâmetro. O ressonador circular, que foi projetado para capturar a luz que entra e circulá-la, permitiu que um pouquinho de duplicação de frequência acontecesse repetidamente. Outro guia de ondas direto, na outra extremidade do ressonador, foi ajustado para levar embora a luz de freqüência dobrada.
O segundo truque era tornar o silício menos uniforme polarizando-o com um campo elétrico. Felizmente, nenhum campo externo foi realmente necessário - a pequena quantidade de luz dobrada de frequência, combinada com a luz da bomba infravermelha original, fez com que os elétrons no ressonador se reunissem nas bordas, criando um campo elétrico constante. Este campo aumentou muito a capacidade de duplicação da frequência do nitreto de silício.
"É um processo de feedback, "diz Srinivasan, "porque um pouco de luz dobrou a frequência e a luz da bomba começou a criar o campo elétrico constante, tornando o processo de duplicação de frequência mais forte, o que, por sua vez, cria mais luz com o dobro da frequência. Então, tanto a luz da bomba quanto a luz de frequência dobrada estão circulando neste anel, e há essa enorme capacidade de pegar essa coisa que começou como extremamente fraca, e torná-lo um efeito muito forte. "
Fazer com que esses dois efeitos funcionassem no mesmo dispositivo não foi fácil. Não só o anel ressonador precisa ser exatamente do tamanho certo para prender a bomba e a luz de frequência duplicada, a luz também precisa se empilhar da maneira certa no ressonador. Para alcançar isto, simulações detalhadas e fabricação precisa em uma sala limpa são necessárias. Mas uma vez que tal dispositivo preciso é fabricado, tudo que você precisa fazer é enviar a luz da bomba, e observe a freqüência duplicada da luz na saída.
“Para permitir uma interação eficiente entre a luz e o material, luz de cores diferentes tem que viver muito tempo e também se mover exatamente na mesma velocidade, "diz o Lu, "Nosso dispositivo implementa esses dois fatores-chave na duplicação de frequência induzida por foto, o que aumenta significativamente a eficiência energética deste processo. "
Este dispositivo é mais um passo em uma longa jornada para alcançar um portátil, relógio atômico ultrapreciso. "Esses relógios ópticos são esses incríveis dispositivos de cronometragem, mas geralmente eles estão em um grande laboratório, "diz Srinivasan." Se pudesse estar em um pacote pequeno, poderia ir em carros, drones ou outros veículos. O tempo está na base de muitos aplicativos de navegação importantes, e na maior parte, agora, as pessoas confiam nos sinais de GPS. Mas existem todos os tipos de possibilidades de que pode haver algo no caminho, e você não pode adquirir esses sinais, ou alguém falsifica o sinal. Então, ter instrumentos de cronometragem portáteis que podem realmente fornecer tempo preciso e preciso para longos períodos antes que você precise de um sinal de sincronização do GPS é significativo. "
Embora não seja a estrela do show, a duplicação da frequência é um componente necessário em relógios atômicos ópticos. Esses relógios produzem uma batida extremamente regular, mas em frequências ópticas - centenas de trilhões de oscilações de campo de luz por segundo. A eletrônica convencional não pode interagir com esse sinal diretamente, então, para reduzir essa precisão a uma frequência inteligível (meros bilhões de oscilações por segundo), os cientistas usam pentes de frequência - fontes de laser com 'dentes' de frequência em intervalos perfeitamente regulares, uma invenção que ganhou o Prêmio Nobel de Física em 2005.
Ser útil, esses pentes de frequência precisam ser calibrados - cada dente do pente precisa ser rotulado com um valor de frequência específico. A maneira mais simples e comum de calibrá-los é tirar o dente mais inferior do pente, frequência o dobro, e compare com o dente mais alto:isso dá a frequência do dente mais baixo. Junto com uma medição simples do espaçamento entre os dentes, os cientistas podem usar isso para deduzir a freqüência exata de cada dente.
Recentemente, várias peças dos relógios atômicos on-chip, incluindo pequenas células de vapor atômico e pentes de frequência no chip, foram alcançados em fotônica baseada em silício. Contudo, a calibração de duplicação de frequência era feita anteriormente com ótica volumosa ou usando materiais menos compatíveis com o silício. "Pelo menos conceitualmente, "diz Srinivasan, "estamos um passo mais perto de um pente de frequência calibrado em um pacote realmente compacto. Ainda há trabalho a ser feito para realmente sermos capazes de colocar essas coisas juntas, mas estamos mais perto de um relógio atômico óptico compacto do que antes. "
