A medida que las tecnologías siguen avanzando a un ritmo exponencial y la demanda de nuevos dispositivos aumenta en consecuencia, la miniaturización de los sistemas en chips se ha vuelto cada vez más importante. La microelectrónica ha cambiado la forma en que manipulamos la electricidad, permitiendo productos electrónicos sofisticados que ahora son una parte esencial de nuestra vida diaria. De manera similar, la fotónica integrada ha revolucionado la forma en que controlamos la luz para aplicaciones tales como comunicaciones de datos, imágenes, detección y dispositivos biomédicos. Al enrutar y dar forma a la luz utilizando componentes a micro y nanoescala, la fotónica integrada reduce los sistemas ópticos completos al tamaño de pequeños chips.

A pesar de su éxito, a la fotónica integrada le ha faltado un componente clave para lograr la miniaturización completa : los láseres a escala de chip de alto rendimiento. Si bien se han logrado algunos avances en los láseres de infrarrojo cercano, los láseres de luz visible que actualmente alimentan los chips fotónicos todavía son costosos y de sobremesa. Dado que la luz visible es esencial para una amplia gama de aplicaciones, incluidas la óptica cuántica, las pantallas y la bioimagen, existe la necesidad de láseres sintonizables y de escala de chip de ancho de línea estrecho que emitan luz de diferentes colores.

Inventando láseres de alto rendimiento que caben en la punta de un dedo

desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo cercano, que caben en la punta de un dedo. Los colores de los láseres pueden ajustarse con precisión y ser extremadamente rápidos, hasta 267 petahercios por segundo, lo cual es fundamental para aplicaciones como la óptica cuántica. El equipo es el primero en demostrar láseres sintonizables y de ancho de línea estrecho a escala de chip para colores de luz por debajo del rojo : verde, cian, azul y violeta. Estos láseres económicos también tienen la huella más pequeña y la longitud de onda más corta (404 nm) de cualquier láser integrado sintonizable y de ancho de línea estrecho que emita luz visible. El estudio, que se presentó por primera vez en la sesión posterior a la fecha límite de CLEO 2021 el 14 de mayo de 2021.

« Lo emocionante de este trabajo es que hemos utilizado el poder de la fotónica integrada para romper el paradigma existente de que los láseres visibles de alto rendimiento deben ser de sobremesa y cuestan decenas de miles de dólares », dice el autor principal del estudio, Mateus Corato Zanarella, un estudiante de doctorado que trabaja con Michal Lipson, profesor de ingeniería eléctrica de Higgins y profesor de física aplicada. « Hasta ahora, ha sido imposible reducir e implementar en masa tecnologías que requieren láseres visibles sintonizables y de ancho de línea estrecho. Un ejemplo notable es la óptica cuántica, que exige láseres de alto rendimiento de varios colores en un solo sistema. Esperamos que nuestros hallazgos permitirá sistemas de luz visible totalmente integrados para tecnologías nuevas y existentes ».

Beneficios de emitir longitudes de onda por debajo del rojo

La importancia de que los láseres emitan longitudes de onda más cortas que el rojo queda clara cuando se consideran algunas aplicaciones importantes. Las pantallas, por ejemplo, requieren luz roja, verde y azul simultáneamente para componer cualquier color. En la óptica cuántica, los láseres verde, azul y violeta se utilizan para atrapar y enfriar átomos e iones. En Lidar submarino (Detección de luz y rango), se necesita luz verde o azul para evitar la absorción de agua. Sin embargo, en longitudes de onda más cortas que el rojo, las pérdidas por acoplamiento y propagación de los circuitos integrados fotónicos aumentan significativamente, lo que ha impedido la realización de láseres de alto rendimiento en estos colores.

Resolución de problemas de pérdida de acoplamiento y propagación

Los investigadores resolvieron el problema de la pérdida de acoplamiento eligiendo diodos Fabry-Perot (FP) como fuentes de luz, lo que minimiza el impacto de las pérdidas en el rendimiento de los láseres a escala de chip. A diferencia de otras estrategias que utilizan diferentes tipos de fuentes, el enfoque del equipo permite la realización de láseres en longitudes de onda cortas sin precedentes (404 nm) al mismo tiempo que brinda escalabilidad a potencias ópticas altas, los diodos láser FP son láseres de estado sólido compactos y económicos ampliamente utilizados en investigación e industria. Sin embargo, emiten luz de varias longitudes de onda simultáneamente y no se pueden sintonizar fácilmente, lo que impide que se utilicen directamente para aplicaciones que requieren láseres puros y precisos. Al combinarlos con el chip fotónico especialmente diseñado, los investigadores pueden modificar la emisión del láser para que sea de una sola frecuencia, de ancho de línea estrecho y ampliamente sintonizable.

El equipo superó el problema de la pérdida de propagación mediante el diseño de una plataforma que minimiza tanto la absorción del material como las pérdidas por dispersión de la superficie simultáneamente para todas las longitudes de onda visibles. Para guiar la luz, utilizaron nitruro de silicio, un dieléctrico ampliamente utilizado en la industria de los semiconductores que es transparente para la luz visible de todos los colores. Aunque hay una absorción mínima, la luz sigue experimentando pérdidas debido a la aspereza inevitable de los procesos de fabricación. El equipo resolvió este problema diseñando un circuito fotónico con un tipo especial de resonador de anillo. El anillo tiene un ancho variable a lo largo de su circunferencia, lo que permite la característica de funcionamiento monomodo de las guías de ondas estrechas y la característica de baja pérdida de las guías de ondas anchas. El circuito fotónico resultante proporciona una retroalimentación óptica de longitud de onda selectiva a los diodos FP que obliga al láser a emitir en una sola longitud de onda deseada con un ancho de línea muy estrecho.

« Al combinar estas piezas de diseño intrincado, pudimos construir una plataforma robusta y versátil que es escalable y funciona para todos los colores de luz », dijo Corato Zanarella.

Tecnologías revolucionarias

« Como fabricante de láser, reconocemos que la fotónica integrada tendrá un tremendo impacto en nuestra industria y permitirá una nueva generación de aplicaciones que hasta ahora han sido imposibles », dijo Chris Haimberger, Director de Tecnología Láser. Inc. « Esta El trabajo representa un importante paso adelante en la búsqueda de láseres visibles compactos y sintonizables que impulsarán los futuros desarrollos en informática, medicina e industria ».

Los hallazgos del estudio podrían revolucionar una amplia gama de aplicaciones, que incluyen :

• información cuántica. La mayoría de los bits cuánticos para la computación cuántica utilizan átomos o iones que se atrapan y sondean mediante luz visible. La luz debe ser muy pura (ancho de línea estrecho) y tener longitudes de onda muy específicas para abordar las transiciones atómicas. Actualmente, los láseres disponibles para estas aplicaciones son caros y de sobremesa. Este nuevo estudio muestra que estas fuentes voluminosas pueden reemplazarse por chips pequeños y económicos, lo que permitirá que los sistemas cuánticos se reduzcan y eventualmente se conviertan en parte de tecnologías accesibles para el público en general
• Relojes atómicos. Los relojes más precisos se basan en átomos de estroncio, que deben ser atrapados y probados por láseres de muchos colores diferentes al mismo tiempo. De manera similar a los sistemas de óptica cuántica, el tamaño masivo de los láseres actualmente disponibles limita esta tecnología a los laboratorios de investigación. Los láseres a escala de chip permitirán encoger estos sistemas con el objetivo de fabricar relojes atómicos portátiles
• Biodetección. Varias sondas neuronales utilizan una tecnología llamada optogenética para medir, modificar y comprender la respuesta neuronal. En esta tecnología, las neuronas se modifican genéticamente para producir un tipo de proteína llamada opsina que es sensible a la luz visible. Al hacer brillar luz visible, generalmente azul, en estas células, los científicos pueden activar neuronas específicas a voluntad. De manera similar, en la imaginación fluorescente, los fluoróforos deben excitarse con luz visible para generar las imágenes deseadas. Estos láseres compactos de alto rendimiento abren las puertas para la miniaturización de estos sistemas
• Alcance submarino. La medición submarina requiere luz azul o verde porque el agua del océano absorbe fuertemente la luz de todos los demás colores. Además, para la popular estrategia de alcance llamada LiDAR de onda continua modulada en frecuencia, el láser debe poder sintonizarse rápidamente para detectar con precisión la distancia y la velocidad de los objetos. Estos láseres podrían usarse para sistemas portátiles de alcance submarino que empleen esta tecnología
• Li-Fi. A medida que aumenta la demanda de ancho de banda en los sistemas de comunicación, las redes se saturan. Li-Fi, o comunicaciones de luz visible, es una tecnología de rápido crecimiento que promete complementar los enlaces de microondas tradicionales en el extremo del usuario para superar este cuello de botella. Las altas velocidades de modulación de los láseres son ideales para permitir enlaces de comunicación inalámbricos ópticos extremadamente rápidos

Próximos pasos

Los investigadores, que han presentado una patente provisional para su tecnología, ahora están explorando cómo empaquetar óptica y eléctricamente los láseres para convertirlos en unidades independientes y utilizarlos como fuentes en motores de luz visible a escala de chip, experimentos cuánticos y relojes ópticos.

« Para avanzar, tenemos que ser capaces de miniaturizar y escalar estos sistemas, lo que les permitirá incorporarlos eventualmente en tecnologías implementadas en masa », dijo Lipson, un pionero en la fotónica de silicio cuya investigación ha moldeado fuertemente el campo desde sus inicios. hace décadas, con aportes fundacionales en los dispositivos activos y pasivos que forman parte de cualquier chip fotónico actual. Agregó : « La fotónica integrada es un campo emocionante que realmente está revolucionando nuestro mundo, desde las telecomunicaciones ópticas hasta la información cuántica y la biodetección ».