Físicos da Universidade de Harvard desenvolveram um novo e poderoso laser no chip que emite pulsos brilhantes no espectro do infravermelho médio – uma faixa de luz elusiva, mas altamente útil, que pode ser usada para detectar gases e permitir novas ferramentas espectroscópicas.
O dispositivo integra a funcionalidade de um grande sistema em um pequeno chip sem a necessidade de componentes externos. Ele combina design fotônico inovador com tecnologia laser em cascata quântica e espera-se que em breve revolucione o monitoramento ambiental e o diagnóstico médico, detectando milhares de frequências de luz de uma só vez.
Físicos da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) John A. Paulson de Harvard desenvolveram um laser compacto que emite pulsos de luz ultracurtos e brilhantes no espectro do infravermelho médio - uma faixa de comprimento de onda que é cientificamente valiosa e tecnicamente desafiadora. O desempenho do dispositivo é comparável ao de sistemas fotônicos maiores, mas está totalmente integrado em um único chip.
A pesquisa, publicada hoje (16 de abril) na revista Nature, marca a primeira demonstração de um gerador de pulsos de laser infravermelho médio de picossegundos no chip que opera sem quaisquer componentes externos. O laser pode gerar um pente de frequência óptica – um espectro de frequências distribuídas uniformemente – que é amplamente utilizado em medições de alta precisão. Esta plataforma compacta tem potencial para permitir uma nova geração de sensores de gás de amplo espectro para monitoramento ambiental, bem como ferramentas espectroscópicas avançadas para imagens médicas.
A pesquisa foi liderada pelo autor sênior Federico Capasso, professor Robert L. Wallace de Física Aplicada no SEAS, e Vinton Hayes, pesquisador sênior em engenharia elétrica. O projeto foi financiado pela National Science Foundation e pelo Departamento de Defesa em colaboração com o grupo de Schwarz da Universidade Técnica de Viena (TU Wien), uma equipe de pesquisa italiana liderada por Luigi A. Lugiato, e a empresa Leonardo DRS Daylight Solutions dirigida por Timothy Day.
"Esta é uma tecnologia nova e interessante que integra fotônica não linear no chip para gerar pulsos de luz ultracurtos no infravermelho médio; nada parecido com isso foi feito antes", disse Capasso. "Além do mais, o dispositivo pode ser facilmente produzido em fundições industriais de laser usando processos padrão de fabricação de semicondutores."
Diagrama artístico de um chip de laser infravermelho médio mostrando caminhos de luz conectando seus componentes. Fonte da imagem: Luo Runke
A banda do infravermelho médio é a parte invisível do espectro eletromagnético e agora é amplamente utilizada em áreas ambientais. Como muitas moléculas de gás, como dióxido de carbono e metano, absorvem efetivamente a luz infravermelha média, esta faixa de comprimento de onda tornou-se uma ferramenta importante para monitorar gases ambientais, especialmente na tecnologia de laser em cascata quântica, pioneira por Capasso na década de 1990.
O novo artigo demonstra uma maneira de gerar uma fonte de luz de banda larga que pode detectar muitas impressões digitais de absorção diferentes de um gás em um único dispositivo.
“Este é um passo fundamental na criação do que chamamos de fonte de luz supercontínua, que pode produzir milhares de frequências diferentes de luz num único chip”, disse o co-autor Dmitry Kazakov, investigador da equipa de Capasso. “Acho que esta é uma possibilidade real para o desenvolvimento futuro desta plataforma.”
Os lasers em cascata quântica são a base desta nova conquista na engenharia nanofotônica, ao unir diferentes materiais semicondutores nanoestruturados para produzir feixes coerentes no infravermelho médio. Ao contrário de outros lasers semicondutores, que dependem de técnicas maduras de bloqueio de modo há décadas para gerar pulsos, os lasers em cascata quântica continuam difíceis de gerar pulsos devido à sua dinâmica ultrarrápida inerente.
Os geradores de pulso de infravermelho médio existentes baseados em lasers em cascata quântica geralmente exigem configurações complexas para obter emissão de pulso, bem como muitos componentes de hardware discretos. Eles também são geralmente limitados a uma determinada potência de saída e largura de banda espectral.
Imagem de microscópio óptico de um chip fotônico integrado em cascata quântica. O chip mostrado contém dois dispositivos idênticos, cada um contendo quatro componentes: um laser acionado por Fabry-Perot, um acoplador de guia de ondas, um aquecedor resistivo e um ressonador de pista de corrida. Crédito da imagem: Capasso Lab/Harvard School of Engineering and Applied Sciences
Este novo gerador de pulsos combina perfeitamente vários conceitos de fotônica integrada não linear e lasers integrados em um único dispositivo para gerar um tipo específico de pulso de luz de picossegundos, chamado soliton. Ao projetar a arquitetura do chip, os pesquisadores se inspiraram em um dispositivo modulador de luz aparentemente não relacionado: o microrressonador Kerr. Seu pensamento criativo lhes permitiu contornar as técnicas tradicionais de geração de pulso, como o bloqueio de modo.
“Nosso método de medição não é convencional na pesquisa de laser em cascata quântica”, disse o coautor Theodore Letsou, estudante de graduação do MIT e pesquisador da equipe de Capasso. "Nós fundimos os dois campos e pegamos emprestado pesquisas na área de ressonadores Kerr e os aplicamos ao nosso sistema. Foi um processo emocionante."
"Para mim, o impacto mais importante do nosso novo estudo, além da física impressionante, é que ele nos dá a confiança necessária para fabricar e operar arquiteturas multicomponentes, o que anteriormente era um desafio na fotônica integrada no infravermelho médio", disse o co-autor Benedikt Schwarz, professor da Universidade Técnica de Viena. “Já estamos desenvolvendo novas arquiteturas para permitir funcionalidades que antes eram consideradas impossíveis.”
Os pesquisadores basearam-se em uma teoria fundamental publicada na década de 1980 que estabeleceu a estrutura para os ressonadores Kerr passivos. Um dos co-autores do novo artigo é Luigi Lugiato, que trabalhou para redirecionar as equações originais para descrever a dinâmica dos sistemas de laser infravermelho médio.
“Este é o culminar emocionante de uma jornada que começou com a equação Lugiato-Lefever”, disse Lugiato, professor emérito da Universidade de Insubria, na Itália. "O que começou como um modelo de sistema passivo evoluiu agora para uma estrutura unificada para pentes de frequência de sólitons em uma variedade de cavidades. Este caminho nos levou a prever sólitons acima do limite em lasers quânticos em cascata movidos por luz - um resultado que agora foi confirmado experimentalmente."
O novo laser infravermelho médio pode gerar pulsos de forma confiável por horas. Crucialmente, também pode ser produzido em massa utilizando processos de fabrico industrial existentes, o que irá acelerar enormemente a sua adopção generalizada. O dispositivo consiste em três partes: um ressonador de anel acionável externamente; um laser no chip que aciona o ressonador de anel; e um segundo ressonador de anel ativo que atua como filtro. Os chips são fabricados na Universidade Técnica de Viena.
“Esta tecnologia tem o potencial de transformar verdadeiramente o campo da espectroscopia no infravermelho médio”, disse Timothy Day, coautor do artigo e vice-presidente sênior e gerente geral da unidade de negócios Daylight Solutions da Leonardo DRS. “A utilização dos processos de fabrico existentes para alcançar a produção comercial em massa destes dispositivos irá realmente capacitar o desenvolvimento futuro de múltiplos mercados, incluindo monitorização ambiental, controlo de processos industriais, investigação em ciências biológicas e diagnósticos médicos.”
Compilado de /ScitechDaily