Um avanço nos chips fotônicos poderia reduzir drasticamente lasers grandes, caros e ultrarrápidos, levando a dispositivos portáteis e acessíveis de imagem, diagnóstico e processamento de dados, dizem os pesquisadores.
Usando uma arquitetura de laser negligenciada há uma década, os cientistas conseguiram encaixar um laser super-rápido em um minúsculo chip fotônico – um chip que usa luz em vez de eletricidade para operações computacionais.
Em um novo estudo publicado em 3 de junho na revista a naturezaA equipe mostrou que um minúsculo laser em um chip fotônico pode fornecer 1,05 nanojoules de energia em uma explosão de 147 femtossegundos (147 quadrantes de segundo) – competindo assim com a produção de lasers ultrarrápidos de nível laboratorial.
Lasers ultrarrápidos são usados em aplicações que vão desde fabricação de precisão e cirurgia ocular até imagens biológicas e relógios atômicos, mas os sistemas necessários para alimentá-los ocupam mesas inteiras em laboratórios ou fábricas. No entanto, a poderosa saída desses pulsos de laser torna difícil miniaturizá-los em chips fotônicos.
“Por mais de vinte anos, um laser de femtosegundo de alta potência em um chip foi amplamente considerado como o Santo Graal da fotônica integrada,” Tobias KippenbergProfessor de fotônica do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (EPFL). declaração.
“Nossos resultados mostram que isso não só é possível, mas pode ser alcançado com uma arquitetura surpreendentemente elegante que foi negligenciada pela comunidade fotônica integrada.”
O progresso com visão de futuro vem de olhar para trás
Os chips fotônicos manipulam a luz usando estruturas microscópicas chamadas guias de ondas – geralmente na forma de fibras ópticas ou cavidades gravadas – para transportar informações. Eles não são particularmente sofisticados e podem ser encontrados em Comunicação de fibra ópticaSensores médicos e lidar sistema
Receba as descobertas mais interessantes do mundo diretamente na sua caixa de entrada
Mas os chips fotônicos já tiveram dificuldades ao operar lasers ultrarrápidos e de alta potência. Isso ocorre porque eles devem conter luz de guias de onda extremamente curtos, fazendo com que a luz interaja fortemente consigo mesma e desestabilize os pulsos de laser.
Para resolver esse problema, os pesquisadores analisaram uma arquitetura de laser chamada Oscilador MamishevPavel V., físico e engenheiro do Bell Labs. Criado por Mamishev em 1998.
O laser ultrarrápido baseado em chip da EPFL funciona em uma configuração de teste.
(Crédito da imagem: Jheru Q/EPFL)
Este oscilador, que tem recebido pouca atenção no mundo dos chips fotônicos, funciona colocando um Guia de ondas não linear entre dois filtros ópticos. Ele amplifica um pulso de laser de alta intensidade em uma ampla gama de cores que pode então passar por ambos os filtros enquanto a luz mais fraca, que pode causar instabilidade do laser, é bloqueada. Esta técnica significa essencialmente que um pulso de laser de alta intensidade pode ser mantido.
Como o oscilador Mamishev não requer componentes adicionais para ser incorporado em um chip, ele apresenta um design atraente para uso em chips fotônicos. E embora a cavidade do laser tenha 42 cm de comprimento para apontar um laser ultrarrápido, ela pode ser dobrada para ocupar a mesma área que uma cabeça de fósforo. Isso não pode ser feito com lasers convencionais baseados em fibra óptica, frequentemente usados em chips fotônicos.
Isso leva em conta o tamanho, mas o custo dos sistemas laser ultrarrápidos é outro desafio. Mas como os chips fotônicos podem ser feitos usando pastilhas de silício da mesma forma que os chips de computador, mais de 1.000 cavidades de laser poderiam ser produzidas em um único lote, disseram os pesquisadores. Como tal, chips fotônicos com capacidades de laser ultrarrápido podem ser produzidos em escala, reduzindo assim os custos de produção e até mesmo expandindo seu uso.
Chips fotônicos capazes de lidar com lasers ultrarrápidos poderão, no futuro, levar a equipamentos portáteis para tarefas como detecção de poluentes ou realização de diagnósticos médicos avançados em campo, observaram os pesquisadores no estudo. A tecnologia também abre as portas para relógios atômicos menores que poderiam facilitar a navegação e comunicações futuras.
