Pesquisadores da CU Boulder desenvolveram microrressonadores ópticos altamente eficientes que poderiam suportar uma nova geração de tecnologia de sensores robusta.
Um microrressonador é uma estrutura microscópica projetada para confinar a luz a uma pequena área. À medida que a luz circula no interior, sua intensidade aumenta. Quando essa intensidade atinge um nível suficiente, os cientistas podem executar processos ópticos especiais que permitem a detecção e outras funções avançadas.
“Nosso trabalho é usar baixa potência óptica com esses ressonadores para uso futuro”, disse Bright Lu, estudante de doutorado do quarto ano em engenharia elétrica e de computação e principal autor do estudo. “Um dia, esses microrressonadores poderão ser adaptados para uma ampla gama de sensores, desde navegação até detecção química.”
O estudo foi publicado Artigos de Física Aplicada.
O design do ressonador de pista minimiza a perda de luz
Para alcançar um desempenho robusto, a equipe se concentrou em ressonadores de “pista de corrida”, nomeados por seu formato de loop alongado que lembra uma pista de corrida.
Eles incluíam “curvas de Euler” – um tipo de curva suave encontrada em projetos de estradas e ferrovias. Assim como os veículos não conseguem fazer curvas repentinas em ângulo reto em alta velocidade, a luz não viaja com eficiência em curvas fechadas.
“Essas curvas da pista minimizam a perda por flexão”, disse Wan Park, professor Shepard de Engenharia Elétrica e co-orientador do projeto. “Nossa escolha de design foi uma inovação fundamental neste projeto.”
Ao direcionar a luz através de curvas lentas e cuidadosamente projetadas, os pesquisadores limitaram significativamente a quantidade de luz que escapou. Isso permite que os fótons circulem por mais tempo no ressonador e interajam com mais intensidade.
Lu explicou que a perda excessiva de luz impede que o aparelho atinja a alta intensidade necessária para um funcionamento ideal.
Nanofabricação de Precisão na COSINC
Os microrressonadores foram fabricados na sala limpa da Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC) usando um novo sistema de litografia por feixe de elétrons.
Essas instalações mantêm condições rigorosamente controladas que são essenciais para a fabricação de dispositivos confiáveis em escalas extremamente pequenas. Muitos componentes ópticos e fotônicos são menores que a largura de uma folha de papel, portanto, mesmo pequenas partículas de poeira ou pequenas imperfeições superficiais podem interferir na forma como a luz viaja através deles.
“A litografia tradicional usa fótons e é fundamentalmente limitada pelo comprimento de onda da luz”, disse Lu. “No entanto, a litografia por feixe de elétrons não tem tais limitações. Com os elétrons podemos realizar nossa estrutura com resolução subnanométrica, o que é importante para o nosso microrressonador.”
Lu descreve o processo de fabricação como uma das partes mais gratificantes do projeto.
“Salas limpas são simplesmente legais. Você está trabalhando com essas máquinas enormes e precisas e então pode ver imagens de estruturas com apenas mícrons de largura. É realmente gratificante transformar uma fina película de vidro em um circuito óptico funcional.”
O vidro de calcogeneto permite desempenho de perda ultrabaixa
A fabricação bem-sucedida de dispositivos usando calcogenetos, uma família de vidros semicondutores especiais, é um marco importante para a equipe.
“Esses calcogenetos são excelentes materiais para fotônica devido à sua alta transparência e não linearidade”, disse Park. “Nosso trabalho representa um dos dispositivos de melhor desempenho usando calcogenetos, senão o melhor.”
Os calcogenetos permitem a passagem de luz intensa com perdas mínimas, o que é essencial para microrressonadores de alto desempenho. Ao mesmo tempo, são materiais desafiadores para processar, exigindo um equilíbrio cuidadoso durante a fabricação.
“Os calcogenetos são materiais difíceis, mas gratificantes para trabalhar em dispositivos fotônicos não lineares”, disse o professor Jewelt Gopinath, que colabora com Park no projeto há mais de 10 anos. “Nossos resultados mostraram que a redução da perda por flexão permite dispositivos de perda ultrabaixa comparáveis ao estado da arte de outras plataformas de materiais.”
Testes de laser e medições de ressonância
Após a fabricação, os dispositivos foram avaliados sob a liderança de James Erickson, estudante de doutorado em física especializado em medições baseadas em laser. Ele alinhou precisamente os lasers com guias de onda microscópicos para enviar luz enquanto observava o comportamento dentro e fora dos ressonadores.
A equipe procurou por “quedas” no sinal de luz transmitido que indicassem ressonância, que ocorre quando os fótons são presos e conduzidos dentro da estrutura. Ao estudar a forma dessas quedas, eles conseguiram determinar propriedades como absorção e efeitos térmicos.
“O indicador mais óbvio da qualidade do dispositivo é o formato das ressonâncias, e queremos que sejam profundas e estreitas, como uma agulha perfurando o fundo do sinal”, diz Erickson. “Há muito tempo que perseguimos este tipo de ressonador e, quando vimos a ressonância nítida neste novo dispositivo, sabíamos que finalmente tínhamos decifrado o código.”
Erickson observou que compreender quanta luz é absorvida versus quanta luz é transmitida é fundamental para o desempenho do dispositivo. O aumento da potência do laser pode introduzir aquecimento, que por sua vez pode alterar as propriedades do material ou até mesmo danificar o dispositivo.
“A forma como a maioria dos materiais interage com a luz varia dependendo da temperatura do material”, diz Erickson. “Assim, à medida que um dispositivo aquece, suas propriedades podem mudar e seu desempenho pode ser diferente.”
Rumo a microlasers e fotônica quântica
Olhando para o futuro, esses microrressonadores podem ser usados para construir microlasers compactos, sensores químicos e biológicos altamente sensíveis e ferramentas para metrologia quântica e redes.
“Muitos componentes fotônicos estão sendo desenvolvidos a partir de lasers, moduladores e detectores, e microrressonadores como o nosso ajudarão a unir todas essas peças”, disse Lu. “Em última análise, o objetivo é fazer algo que você possa entregar a um fabricante e fabricar centenas de milhares deles.”
