A equipe do Laboratório de Sistemas Fotônicos da EPFL (PHOSL) desenvolveu uma fonte de laser em escala de chip que melhora o desempenho dos lasers semicondutores, ao mesmo tempo que permite a geração de comprimentos de onda mais curtos.



Este trabalho pioneiro, liderado pela professora Camille Brès e pelo pesquisador de pós-doutorado Marco Clementi, da Escola de Engenharia da EPFL, representa um avanço significativo no campo da fotônica, com implicações para telecomunicações, metrologia e outras aplicações de alta precisão.

O estudo, publicado na revista Light:Science &Applications , revela como os pesquisadores do PHOSL, em colaboração com o Laboratório de Fotônica e Medições Quânticas, integraram com sucesso lasers semicondutores com circuitos fotônicos de nitreto de silício contendo microrressonadores. Esta integração resulta num dispositivo híbrido que emite luz altamente uniforme e precisa tanto no infravermelho próximo como no visível, preenchendo uma lacuna tecnológica que há muito desafia a indústria.

"Os lasers semicondutores são onipresentes na tecnologia moderna, encontrados em tudo, desde smartphones até comunicações de fibra óptica. No entanto, o seu potencial tem sido limitado pela falta de coerência e pela incapacidade de gerar luz visível de forma eficiente", explica o professor Brès. "Nosso trabalho não apenas melhora a coerência desses lasers, mas também muda sua produção para o espectro visível, abrindo novos caminhos para seu uso."

Coerência, neste contexto, refere-se à uniformidade das fases das ondas de luz emitidas pelo laser. Alta coerência significa que as ondas de luz estão sincronizadas, resultando em um feixe com cor ou frequência muito precisa. Esta propriedade é crucial para aplicações onde a precisão e a estabilidade do feixe de laser são fundamentais, como cronometragem e detecção de precisão.

Maior precisão e funcionalidade aprimorada

A abordagem da equipe envolve o acoplamento de lasers semicondutores disponíveis comercialmente com um chip de nitreto de silício. Este minúsculo chip foi criado com tecnologia CMOS econômica e padrão da indústria. Graças às excepcionais propriedades de baixa perda do material, pouca ou nenhuma luz é absorvida ou escapa.

A luz do laser semicondutor flui através de guias de onda microscópicos em cavidades extremamente pequenas, onde o feixe fica preso. Essas cavidades, chamadas ressonadores de micro-anel, são intrincadamente projetadas para ressoar em frequências específicas, amplificando seletivamente os comprimentos de onda desejados enquanto atenua outros, alcançando assim maior coerência na luz emitida.

A outra conquista significativa é a capacidade do sistema híbrido de duplicar a frequência da luz proveniente do laser semicondutor comercial – permitindo uma mudança do espectro do infravermelho próximo para o espectro da luz visível.

A relação entre frequência e comprimento de onda é inversamente proporcional, o que significa que se a frequência for duplicada, o comprimento de onda será reduzido pela metade. Embora o espectro do infravermelho próximo seja explorado para telecomunicações, frequências mais altas são essenciais para a construção de dispositivos menores e mais eficientes onde são necessários comprimentos de onda mais curtos, como em relógios atômicos e dispositivos médicos.

Esses comprimentos de onda mais curtos são alcançados quando a luz aprisionada na cavidade passa por um processo denominado polarização totalmente óptica, que induz o que é conhecido como não linearidade de segunda ordem no nitreto de silício. A não-linearidade neste contexto significa que há uma mudança significativa, um salto na magnitude, no comportamento da luz que não é diretamente proporcional à sua frequência decorrente da sua interação com o material.

O nitreto de silício normalmente não incorre neste efeito não linear de segunda ordem específico, e a equipe realizou um elegante feito de engenharia para induzi-lo:o sistema aproveita a capacidade da luz ao ressoar dentro da cavidade para produzir uma onda eletromagnética que provoca as propriedades não lineares em o material.

Uma tecnologia facilitadora para aplicações futuras

“Não estamos apenas melhorando a tecnologia existente, mas também ampliando os limites do que é possível com lasers semicondutores”, diz Marco Clementi, que desempenhou um papel fundamental no projeto. "Ao preencher a lacuna entre as telecomunicações e os comprimentos de onda visíveis, estamos abrindo a porta para novas aplicações em campos como imagens biomédicas e cronometragem de precisão."

Uma das aplicações mais promissoras desta tecnologia está na metrologia, particularmente no desenvolvimento de relógios atômicos compactos. A história dos avanços da navegação depende da portabilidade de relógios precisos – desde a determinação da longitude no mar no século XVI até à garantia da navegação precisa das missões espaciais e à obtenção de uma melhor geolocalização hoje.

“Este avanço significativo estabelece as bases para tecnologias futuras, algumas das quais ainda não foram concebidas”, observa Clementi.

O profundo conhecimento da equipe em fotônica e ciência de materiais levará potencialmente a dispositivos menores e mais leves e reduzirá o consumo de energia e os custos de produção de lasers. A sua capacidade de pegar num conceito científico fundamental e traduzi-lo numa aplicação prática utilizando a fabricação padrão da indústria sublinha o potencial de resolução de desafios tecnológicos complexos que podem levar a avanços imprevistos.

Mais informações: Marco Clementi et al, Uma fonte de segundo harmônico em escala de chip por meio de polarização totalmente óptica bloqueada por autoinjeção, Light:Science &Applications (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01329-6
Informações do diário: Luz:Ciência e Aplicações

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