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À medida que as tecnologias continuam avançando a taxas exponenciais e a demanda por novos dispositivos aumenta proporcionalmente, a miniaturização de sistemas em chips tornou-se cada vez mais importante. A microeletrônica mudou a forma como manipulamos a eletricidade, permitindo produtos eletrônicos sofisticados que agora são parte essencial de nossas vidas diárias. Da mesma forma, a fotônica integrada vem revolucionando a maneira como controlamos a luz para aplicações como comunicação de dados, geração de imagens, detecção e dispositivos biomédicos. Ao direcionar e moldar a luz usando componentes de micro e nanoescala, a fotônica integrada reduz os sistemas ópticos completos ao tamanho de minúsculos chips.
Apesar de seu sucesso, a fotônica integrada tem perdido um componente-chave para alcançar a miniaturização completa: lasers em escala de chip de alto desempenho. Embora algum progresso tenha sido feito em lasers de infravermelho próximo, os lasers de luz visível que atualmente alimentam os chips fotônicos ainda são de bancada e caros. Como a luz visível é essencial para uma ampla gama de aplicações, incluindo óptica quântica, displays e bioimagem, há uma necessidade de lasers de escala de chip sintonizáveis e de largura de linha estreita que emitam luz de cores diferentes.
Inventando lasers de alto desempenho que cabem na ponta do dedo
Pesquisadores do Lipson Nanophotonics Group, da Columbia Engineering, criaram lasers visíveis de cores muito puras, do ultravioleta próximo ao infravermelho próximo, que cabem na ponta de um dedo. As cores dos lasers podem ser ajustadas com precisão e extremamente rápidas – até 267 petahertz por segundo, o que é crítico para aplicações como a óptica quântica. A equipe é a primeira a demonstrar largura de linha estreita em escala de chip e lasers ajustáveis para cores de luz abaixo do vermelho – verde, ciano, azul e violeta. Esses lasers baratos também ocupam o menor espaço e o comprimento de onda mais curto (404 nm) de qualquer laser integrado sintonizável e de largura de linha estreita que emite luz visível. O estudo, que foi apresentado pela primeira vez na sessão pós-prazo CLEO 2021 em 14 de maio de 2021, foi publicado online em 23 de dezembro de 2022, por Fotônica da Natureza.
“O que é empolgante neste trabalho é que usamos o poder da fotônica integrada para quebrar o paradigma existente de que lasers visíveis de alto desempenho precisam ser de bancada e custar dezenas de milhares de dólares”, diz o principal autor do estudo, Mateus Corato Zanarella, um estudante de doutorado que trabalha com Michal Lipson, professor de Higgins de Engenharia Elétrica e professor de física aplicada. “Até agora, tem sido impossível encolher e implantar tecnologias em massa que requerem lasers visíveis sintonizáveis e de largura de linha estreita. Um exemplo notável é a óptica quântica, que exige lasers de alto desempenho de várias cores em um único sistema. Esperamos que nossas descobertas permitirá sistemas de luz visível totalmente integrados para tecnologias novas e existentes.”
Benefícios de emitir comprimentos de onda abaixo do vermelho
A importância dos lasers que emitem comprimentos de onda mais curtos do que o vermelho fica clara quando você considera algumas aplicações importantes. Os displays, por exemplo, requerem luz vermelha, verde e azul simultaneamente para compor qualquer cor. Na óptica quântica, os lasers verde, azul e violeta são usados para capturar e resfriar átomos e íons. No Lidar subaquático (detecção e alcance de luz), é necessária luz verde ou azul para evitar a absorção de água. No entanto, em comprimentos de onda menores que o vermelho, as perdas de acoplamento e propagação dos circuitos integrados fotônicos aumentam significativamente, o que tem impedido a realização de lasers de alto desempenho nessas cores.
Resolvendo problemas de perda de acoplamento e propagação
Os pesquisadores resolveram o problema de perda de acoplamento escolhendo diodos Fabry-Perot (FP) como fontes de luz, o que minimiza o impacto das perdas no desempenho dos lasers em escala de chip. Ao contrário de outras estratégias que usam diferentes tipos de fontes, a abordagem da equipe permite a realização de lasers em comprimentos de onda recordes (404 nm), além de fornecer escalabilidade para altas potências ópticas. pesquisa e indústria. No entanto, eles emitem luz de vários comprimentos de onda simultaneamente e não são facilmente sintonizáveis, impedindo que sejam usados diretamente para aplicações que requerem lasers puros e precisos. Ao combiná-los com o chip fotônico especialmente projetado, os pesquisadores são capazes de modificar a emissão do laser para ser de frequência única, largura de linha estreita e amplamente sintonizável.
A equipe superou o problema da perda de propagação projetando uma plataforma que minimiza tanto a absorção de material quanto as perdas por dispersão de superfície simultaneamente para todos os comprimentos de onda visíveis. Para guiar a luz, eles usaram nitreto de silício, um dielétrico amplamente utilizado na indústria de semicondutores que é transparente para luz visível de todas as cores. Embora haja absorção mínima, a luz ainda sofre perda devido à rugosidade inevitável dos processos de fabricação. A equipe resolveu esse problema projetando um circuito fotônico com um tipo especial de ressonador de anel. O anel tem uma largura variável ao longo de sua circunferência, permitindo a característica de operação de modo único de guias de onda estreitos e característica de baixa perda de guias de onda largos. O circuito fotônico resultante fornece um feedback óptico seletivo de comprimento de onda para os diodos FP que força o laser a emitir em um único comprimento de onda desejado com largura de linha muito estreita.
“Combinando essas peças de design intrincado, conseguimos construir uma plataforma robusta e versátil que é escalável e funciona para todas as cores de luz”, disse Corato Zanarella.
Revolucionando tecnologias
“Como fabricante de laser, reconhecemos que a fotônica integrada terá um tremendo impacto em nossa indústria e permitirá uma nova geração de aplicações que até agora eram impossíveis”, disse Chris Haimberger, diretor de tecnologia de laser da TOPTICA Photonics, Inc. O trabalho representa um importante passo à frente na busca de lasers visíveis compactos e sintonizáveis que impulsionarão futuros desenvolvimentos em computação, medicina e indústria”.
As descobertas do estudo podem revolucionar uma ampla gama de aplicações, incluindo:
- Informação quântica. A maioria dos bits quânticos para computação quântica usa átomos ou íons que são capturados e sondados usando luz visível. A luz deve ser muito pura (largura de linha estreita) e ter comprimentos de onda muito específicos para lidar com transições atômicas. Atualmente, os lasers disponíveis para essas aplicações são caros e de bancada. Este novo estudo mostra que essas fontes volumosas podem ser substituídas por chips minúsculos e baratos, o que permitirá que os sistemas quânticos sejam reduzidos e eventualmente se tornem parte de tecnologias acessíveis ao público em geral.
- Relógios Atômicos. Os relógios mais precisos são baseados em átomos de estrôncio, que precisam ser capturados e sondados por lasers de muitas cores diferentes ao mesmo tempo. Da mesma forma que os sistemas de óptica quântica, o tamanho maciço dos lasers atualmente disponíveis limita essa tecnologia a laboratórios de pesquisa. Os lasers em escala de chip permitirão encolher esses sistemas com o objetivo de fabricar relógios atômicos portáteis.
- Biosensoriamento. Várias sondas neurais usam uma tecnologia chamada optogenética para medir, modificar e compreender a resposta neural. Nessa tecnologia, os neurônios são geneticamente modificados para produzir um tipo de proteína chamada opsina, sensível à luz visível. Ao incidir luz visível, geralmente azul, nessas células, os cientistas podem ativar neurônios específicos à vontade. Da mesma forma, na imaginação fluorescente, os fluoróforos precisam ser excitados com luz visível para gerar as imagens desejadas. Esses lasers compactos de alto desempenho abrem as portas para a miniaturização desses sistemas.
- Variação subaquática. O alcance subaquático requer luz azul ou verde porque a água do oceano absorve fortemente a luz de todas as outras cores. Além disso, para a popular estratégia de alcance chamada LiDAR de onda contínua modulada por frequência, o laser precisa ser rapidamente ajustado para detecção precisa da distância e velocidade dos objetos. Esses lasers podem ser usados para sistemas portáteis de alcance subaquático que empregam essa tecnologia.
- Li-Fi. À medida que aumenta a demanda por largura de banda nos sistemas de comunicação, as redes ficam saturadas. Li-Fi, ou comunicações de luz visível, é uma tecnologia em rápido crescimento que promete complementar os links de microondas tradicionais no final do usuário para superar esse gargalo. As altas velocidades de modulação dos lasers são ideais para permitir links de comunicação óptica sem fio extremamente rápidos.
Próximos passos
Os pesquisadores, que registraram uma patente provisória para sua tecnologia, agora estão explorando como empacotar opticamente e eletricamente os lasers para transformá-los em unidades autônomas e usá-los como fontes em motores de luz visível em escala de chip, experimentos quânticos e relógios ópticos.
“Para avançar, temos que ser capazes de miniaturizar e dimensionar esses sistemas, permitindo que sejam eventualmente incorporados em tecnologias implantadas em massa”, disse Lipson, pioneiro em fotônica de silício cuja pesquisa moldou fortemente o campo desde o início. décadas atrás, com contribuições fundamentais nos dispositivos ativos e passivos que fazem parte de qualquer chip fotônico atual. Ela acrescentou: “A fotônica integrada é um campo empolgante que está realmente revolucionando nosso mundo, das telecomunicações ópticas à informação quântica e ao biossensor”.
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