Gli scienziati di Yale hanno creato un nuovo tipo di laser al silicio che utilizza le onde sonore per amplificare la luce. Uno studio sulla scoperta appare l'8 giugno nell'edizione online della rivista Scienza .

Negli ultimi anni, c'è stato un crescente interesse nel tradurre tecnologie ottiche, come fibre ottiche e laser nello spazio libero, in piccoli circuiti ottici o "fotonici" integrati. L'utilizzo della luce anziché dell'elettricità per i circuiti integrati consente di inviare ed elaborare informazioni a velocità che sarebbero impossibili con l'elettronica convenzionale. I ricercatori affermano che la fotonica al silicio, circuiti ottici basati su chip di silicio, è una delle piattaforme principali per tali tecnologie, grazie alla loro compatibilità con la microelettronica esistente.

"Abbiamo assistito a un'esplosione di crescita nelle tecnologie fotoniche al silicio negli ultimi anni, " ha detto Peter Rakich, un professore associato di fisica applicata a Yale che ha guidato la ricerca. "Non solo stiamo iniziando a vedere queste tecnologie entrare in prodotti commerciali che aiutano i nostri data center a funzionare senza problemi, stiamo anche scoprendo nuovi dispositivi e tecnologie fotonici che potrebbero essere trasformativi per qualsiasi cosa, dal biosensore alle informazioni quantistiche su un chip. È davvero un momento emozionante per il campo".

I ricercatori hanno affermato che questa rapida crescita ha creato una pressante necessità di nuovi laser al silicio per alimentare i nuovi circuiti, un problema che è stato storicamente difficile a causa del bandgap indiretto del silicio. "Proprietà intrinseche del silicio, sebbene molto utile per molte tecnologie ottiche su scala di chip, rendono estremamente difficile generare luce laser utilizzando la corrente elettrica, " disse Nils Otterstrom, uno studente laureato nel laboratorio Rakich e il primo autore dello studio. "È un problema che ostacola gli scienziati da più di un decennio. Per aggirare questo problema, dobbiamo trovare altri metodi per amplificare la luce su un chip. Nel nostro caso, usiamo una combinazione di onde luminose e sonore."

Il design del laser racchiude la luce amplificata all'interno di una forma da pista, intrappolandola in un movimento circolare. "Il design della pista è stato una parte fondamentale dell'innovazione. In questo modo, possiamo massimizzare l'amplificazione della luce e fornire il feedback necessario affinché il laser si verifichi, " disse Otterstrom.

Per amplificare la luce con il suono, il laser al silicio utilizza una struttura speciale sviluppata nel laboratorio Rakich. "È essenzialmente una guida d'onda su scala nanometrica progettata per confinare strettamente sia le onde luminose che sonore e massimizzare la loro interazione, " ha detto Rakich.

"La particolarità di questa guida d'onda è che ci sono due canali distinti per la propagazione della luce, " ha aggiunto Eric Kittlaus, un co-autore dello studio e uno studente laureato nel laboratorio Rakich. "Questo ci consente di modellare l'accoppiamento luce-suono in un modo che consente progetti laser straordinariamente robusti e flessibili".

Senza questo tipo di struttura, hanno spiegato i ricercatori, l'amplificazione della luce usando il suono non sarebbe possibile nel silicio. "Abbiamo preso interazioni luce-suono che erano praticamente assenti in questi circuiti ottici, e li hanno trasformati nel meccanismo di amplificazione più potente del silicio, " disse Rakich. "Ora, siamo in grado di usarlo per nuovi tipi di tecnologie laser che nessuno pensava possibile 10 anni fa."

Otterstrom ha affermato che ci sono state due sfide principali nello sviluppo del nuovo laser:"In primo luogo, progettare e fabbricare un dispositivo in cui l'amplificazione superi la perdita, e poi capire le dinamiche controintuitive di questo sistema, " ha detto. "Quello che osserviamo è che mentre il sistema è chiaramente un laser ottico, genera anche onde ipersoniche molto coerenti."

Il team di ricerca ha affermato che queste proprietà possono portare a una serie di potenziali applicazioni che vanno dagli oscillatori integrati a nuovi schemi per la codifica e la decodifica delle informazioni. "Usando il silicio, possiamo creare una moltitudine di disegni laser, ciascuno con dinamiche uniche e potenziali applicazioni, " ha detto il co-autore Ryan Behunin, un assistente professore alla Northern Arizona University ed ex membro del laboratorio Rakich. "Queste nuove capacità espandono notevolmente la nostra capacità di controllare e modellare la luce nei circuiti fotonici di silicio".