Pesquisadores desenvolveram um novo método de fabricação de lasers compactos de modo bloqueado em chips fotônicos, usando niobato de lítio para bloqueio de modo ativo. Esta tecnologia promete trazer experimentos de laser ultrarrápido em larga escala para um formato em escala de chip, com planos para reduzir ainda mais a duração dos pulsos e aumentar as potências de pico.
Os lasers se tornaram relativamente comuns na vida cotidiana, mas têm muitos usos além de fornecer shows de luzes em festas rave e escanear códigos de barras em mantimentos. Os lasers também são importantes nas áreas de telecomunicações, computação e pesquisas biológicas, químicas e físicas.
Nesta última aplicação, os lasers capazes de emitir pulsos ultracurtos de um trilionésimo de segundo (1 picossegundo) ou menos são particularmente úteis. Usando lasers que operam em escalas de tempo tão pequenas, os pesquisadores podem estudar fenômenos físicos e químicos que ocorrem com extrema rapidez – por exemplo, a formação ou quebra de ligações moleculares durante reações químicas ou o movimento de elétrons dentro de materiais. Esses pulsos ultracurtos também são amplamente utilizados em aplicações de imagem porque possuem intensidade de pico extremamente alta, mas baixa potência média, evitando assim o aquecimento ou mesmo a queima de amostras como tecido biológico.
Em um artigo publicado na Science, Alireza Marandi, professor assistente de engenharia elétrica e física aplicada na Caltech, descreve um novo método desenvolvido por seu laboratório para fabricar tais lasers, chamados lasers de modo bloqueado, em chips fotônicos. Os lasers são construídos com componentes em nanoescala (um nanômetro equivale a um bilionésimo de metro) e podem ser integrados em circuitos baseados em luz, semelhantes aos circuitos integrados baseados em eletricidade encontrados na eletrônica moderna.
“Estamos interessados em mais do que apenas tornar os lasers com modo bloqueado mais compactos”, disse Marandi. "Estamos entusiasmados em fazer um laser de modo bloqueado de bom desempenho em um chip nanofotônico e combiná-lo com outros componentes. Nesse ponto, seremos capazes de construir um sistema fotônico ultrarrápido completo em um circuito integrado. Isso trará a riqueza da ciência e tecnologia ultrarrápida que atualmente pertence a experimentos em escala métrica para chips em escala milimétrica. "
Lasers ultrarrápidos e reconhecimento do Prêmio Nobel
Esses lasers ultrarrápidos são tão importantes para a pesquisa que o Prêmio Nobel de Física deste ano foi concedido a três cientistas pelo desenvolvimento de lasers que podem gerar pulsos de attossegundos (um attossegundo equivale a um quinto de segundo). No entanto, esses lasers são atualmente extremamente caros e volumosos, e Marandi observou que sua pesquisa está explorando maneiras de atingir essas escalas de tempo em chips que podem ser muito mais baratos e menores, com o objetivo de desenvolver tecnologias fotônicas ultrarrápidas acessíveis e implementáveis.
“Esses experimentos de attossegundos são quase sempre feitos com lasers ultrarrápidos bloqueados no modo”, disse ele. "Alguns desses experimentos podem custar até US$ 10 milhões, e grande parte disso é o custo do laser de modo bloqueado. Estamos entusiasmados em pensar em como replicar esses experimentos e capacidades em nanofotônica."
No coração do laser de modo bloqueado nanofotônico desenvolvido no laboratório de Marandi está o niobato de lítio, um sal sintético com propriedades ópticas e elétricas únicas que permitem que o pulso do laser seja controlado e moldado pela aplicação de sinais elétricos externos de radiofrequência. Esta abordagem é chamada de bloqueio de modo ativo de modulação de fase intracavitária.
"Cerca de 50 anos atrás, os pesquisadores usaram a modulação de fase intracavitária para criar lasers de modo bloqueado em experimentos de desktop e acreditavam que este método não era muito adequado em comparação com outras tecnologias", disse Guo Qiushi, primeiro autor do artigo e ex-pós-doutorado no laboratório de Marandi. "Mas descobrimos que ele se encaixa perfeitamente em nossa plataforma de integração."
"Além de ser pequeno, nosso laser exibe uma gama de propriedades fascinantes. Por exemplo, podemos ajustar com precisão a taxa de repetição dos pulsos de saída em uma ampla faixa. Podemos explorar isso para desenvolver fontes de pente de frequência estáveis em escala de chip, que são essenciais para metrologia de frequência e detecção de precisão, "acrescentou Guo, agora professor assistente no Centro de Pesquisa Científica Avançada da City University of New York.
Objetivos futuros e implicações de pesquisa
Marandi disse que seu objetivo é continuar aprimorando a tecnologia para que ela possa operar em escalas de tempo mais curtas e em potências de pico mais altas, com o objetivo de atingir 50 femtossegundos (um femtossegundo equivale a um trilionésimo de segundo), o que seria uma melhoria de 100 vezes em relação ao seu dispositivo atual, que produz pulsos com duração de 4,8 picossegundos.
O artigo que apresenta a pesquisa, intitulado "Lasers bloqueados no modo ultrarrápido em niobato de lítio nanofotônico", foi publicado na edição de 9 de novembro da Science.