Quando conversamos pela última vez com Kerry Vahala, da Caltech, há três anos, seu laboratório havia relatado recentemente o desenvolvimento de um novo dispositivo óptico chamado microcomb de frequência pronto para uso, que tem aplicações em comunicações digitais, cronometragem precisa, espectroscopia e até astronomia.



Este dispositivo, fabricado em um wafer de silício, recebe luz laser de entrada de uma frequência e a converte em um conjunto uniformemente espaçado de muitas frequências distintas que formam um trem de pulsos cujo comprimento pode ser tão curto quanto 100 femtossegundos (quadrilionésimos de segundo). (O pente no nome vem das frequências espaçadas como os dentes de um pente de cabelo.)

Agora, Vahala, professor Ted e Ginger Jenkins de Ciência e Tecnologia da Informação e Física Aplicada da Caltech e diretor executivo de física aplicada e ciência dos materiais, junto com membros de seu grupo de pesquisa e o grupo de John Bowers na UC Santa Barbara, fizeram um avanço em a forma como os pulsos curtos se formam em um novo material importante chamado nitreto de silício de perda ultrabaixa (nitreto ULL), um composto formado por silício e nitrogênio. O nitreto de silício é preparado para ser extremamente puro e depositado em uma película fina.

Em princípio, os dispositivos microcomb de pulso curto feitos deste material exigiriam uma potência muito baixa para funcionar. Infelizmente, pulsos curtos de luz (chamados sólitons) não podem ser gerados adequadamente neste material devido a uma propriedade chamada dispersão, que faz com que a luz ou outras ondas eletromagnéticas viajem em velocidades diferentes, dependendo de sua frequência. O ULL tem o que é conhecido como dispersão normal e isso evita que os guias de ondas feitos de nitreto ULL suportem os pulsos curtos necessários para a operação do microcomb.

Em um artigo publicado na Nature Photonics , os pesquisadores discutem o desenvolvimento do novo microcomb, que supera as limitações ópticas inerentes ao nitreto ULL, gerando pulsos em pares. Este é um desenvolvimento significativo porque o nitreto ULL é criado com a mesma tecnologia usada para fabricar chips de computador. Este tipo de técnica de fabricação significa que esses microcombs poderão um dia ser integrados em uma ampla variedade de dispositivos portáteis semelhantes em formato aos smartphones.

A característica mais distintiva de um microcomb comum é um pequeno circuito óptico que se parece um pouco com uma pequena pista de corrida. Durante a operação, os sólitons se formam e circulam automaticamente ao seu redor.

"No entanto, quando este loop é feito de nitreto ULL, a dispersão desestabiliza os pulsos de soliton", diz o coautor Zhiquan Yuan, estudante de pós-graduação em física aplicada.

Imagine o circuito como uma pista de corrida com carros. Se alguns carros viajam mais rápido e outros mais devagar, eles se espalharão à medida que circundam a pista, em vez de permanecerem como um grupo compacto. Da mesma forma, a dispersão normal do ULL significa que os pulsos de luz se espalham nos guias de onda da micropente e a micropente para de funcionar.

A solução idealizada pela equipe foi criar múltiplas pistas de corrida, emparelhando-as para que se parecessem com um oito. No meio daquele '8", as duas faixas correm paralelas uma à outra, com apenas um pequeno espaço entre elas.

Se continuarmos com a analogia da pista de corrida, seria como se duas pistas compartilhassem uma imediatamente. À medida que os carros de cada pista convergem para aquele trecho compartilhado, eles encontram algo como um engarrafamento. Assim como duas faixas de tráfego que se fundem em uma rodovia forçam os carros a desacelerar, a seção conjunta das duas microcombinas força os pulsos de laser emparelhados a se agruparem. Este agrupamento neutraliza a tendência dos pulsos de se espalharem e permite que os microcombs funcionem corretamente.

"Na verdade, isso neutraliza a dispersão normal e dá ao sistema composto geral o equivalente à dispersão anômala", diz o estudante de pós-graduação e coautor Maodong Gao.

A ideia se estende quando se adicionam ainda mais pistas, e a equipe mostrou como três pistas também funcionarão, criando dois conjuntos de pares de pulsos. Vahala acredita que o fenômeno continuará a funcionar mesmo com muitas pistas de corrida acopladas (microcombs), oferecendo assim uma maneira de criar grandes conjuntos de circuitos fotônicos para os pulsos de soliton.

Conforme observado acima, esses microcombs ULL são fabricados com o mesmo equipamento usado para fabricar chips de computador baseados na tecnologia complementar de semicondutor de óxido metálico (CMOS). Bowers, professor de engenharia elétrica e de computação, colaborou na pesquisa e observa que "A escalabilidade de fabricação do processo CMOS significa que agora será mais fácil e econômico fabricar microcombs de pulso curto e integrá-los às tecnologias e aplicações existentes ."

Com relação a essas aplicações, Vahala diz que “um pente é como um canivete suíço para óptica. Ele tem muitas funções diferentes e é por isso que é uma ferramenta tão poderosa”.

O artigo que descreve a pesquisa, "Pares de pulsos soliton em múltiplas cores em microrressonadores de dispersão normal", aparece na edição de novembro da Nature Photonics. .

Mais informações: Zhiquan Yuan et al, pares de pulsos Soliton em múltiplas cores em microrressonadores de dispersão normal, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01257-2
Informações do diário: Fotônica da Natureza

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia da Califórnia