I ricercatori hanno progettato una nuova sorgente di luce integrata nel chip in grado di trasformare le lunghezze d'onda infrarosse in lunghezze d'onda visibili, difficili da produrre con la tecnologia basata sui chip di silicio. Questo approccio flessibile alla generazione di luce su chip è pronto per consentire una strumentazione fotonica altamente miniaturizzata, facile da produrre e sufficientemente robusta da poter essere utilizzata al di fuori del laboratorio.

In ottica , La rivista della Optical Society (OSA) per la ricerca ad alto impatto, ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST), Università del Maryland, e l'Università del Colorado descrivono la loro nuova sorgente di luce con oscillatore parametrico ottico (OPO) e mostrano che può produrre luce in uscita di un colore molto diverso, o lunghezza d'onda, rispetto alla luce di ingresso. Oltre a creare luce a lunghezze d'onda visibili, l'OPO genera simultaneamente lunghezze d'onda nel vicino infrarosso che possono essere utilizzate per applicazioni di telecomunicazione.

"Il nostro approccio flessibile ed efficiente dal punto di vista energetico genera luce laser coerente su una gamma di lunghezze d'onda più ampia di quella accessibile dai laser diretti integrati nel chip, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Kartik Srinivasan. "La creazione di luce visibile su chip può essere utilizzata come parte di dispositivi compatti altamente funzionali come orologi atomici basati su chip o dispositivi per analisi biochimiche portatili. Lo sviluppo dell'OPO in una piattaforma di fotonica al silicio crea il potenziale per la produzione scalabile di questi dispositivi nelle fonderie di fabbricazione commerciale, che potrebbe rendere questo approccio molto conveniente."

Sfruttare i processi non lineari

Sebbene la risposta di un materiale alla luce tipicamente si ridimensioni linearmente, le proprietà del materiale possono cambiare più rapidamente in risposta alla luce ad alta potenza, che crea vari effetti non lineari. Gli OPO sono un tipo di laser che utilizza effetti ottici non lineari per creare una gamma molto ampia di lunghezze d'onda di uscita.

I ricercatori volevano capire come prendere l'emissione laser a una lunghezza d'onda prontamente disponibile con laser a chip compatti e combinarla con la nanofotonica non lineare per generare luce laser a lunghezze d'onda che altrimenti sarebbero difficili da raggiungere con le piattaforme fotoniche al silicio.

"Le tecnologie ottiche non lineari sono già utilizzate come componenti integrali dei laser nei migliori orologi atomici del mondo e in molti sistemi di spettroscopia di laboratorio, " disse Xiyuan Lu, primo autore dell'articolo e borsista post-dottorato della NIST-University of Maryland. "Essere in grado di accedere a diversi tipi di funzionalità ottiche non lineari, compresi gli OPO, all'interno della fotonica integrata è importante per la transizione delle tecnologie attualmente basate nei laboratori in piattaforme che sono portatili e possono essere implementate sul campo".

Nel nuovo lavoro, i ricercatori hanno progettato un OPO basato su un microanello in nitruro di silicio. Questo componente ottico è alimentato da circa 1 milliwatt di potenza laser a infrarossi, circa la stessa quantità di energia che si trova in un puntatore laser. Quando la luce viaggia intorno al microanello, aumenta di intensità ottica fino a quando è abbastanza potente da creare una risposta ottica non lineare nel nitruro di silicio. Ciò consente la conversione di frequenza, un processo non lineare che può essere utilizzato per produrre una lunghezza d'onda di uscita, o frequenza, che è diverso da quello della luce che entra nel sistema.

"I recenti progressi nell'ingegneria nanofotonica hanno reso questo metodo di conversione di frequenza molto efficiente, " ha detto Lu. "Un progresso chiave nel nostro lavoro è stato capire come promuovere la specifica interazione non lineare di interesse sopprimendo i potenziali processi non lineari concorrenti che possono sorgere in questo sistema".

Testare la sorgente luminosa

I ricercatori hanno progettato la nuova sorgente di luce su chip utilizzando dettagliate simulazioni elettromagnetiche. Hanno quindi realizzato il dispositivo e l'hanno usato per convertire la luce in ingresso di 900 nanometri in bande di lunghezza d'onda di 700 nanometri (visibile) e di lunghezza d'onda di 1300 nanometri (telecomunicazioni). L'OPO ha ottenuto ciò utilizzando meno del 2% della potenza del laser della pompa richiesta dagli OPO di microrisonatori precedentemente segnalati sviluppati per generare colori di output ampiamente separati. Nei casi precedenti, entrambi i colori generati erano nell'infrarosso. Con poche semplici modifiche alle dimensioni del microanello, l'OPO ha anche prodotto luce nelle bande di telecomunicazione visibili a 780 nm e 1500 nanometri.

I ricercatori affermano che il nuovo OPO potrebbe essere utilizzato per realizzare un sistema completo combinando un economico laser a diodi nel vicino infrarosso commerciale con un chip OPO che integra anche componenti come filtri, rivelatori e una sezione di spettroscopia. Stanno continuando a cercare modi per aumentare la potenza di uscita generata dall'OPO.

"Questo lavoro dimostra che la nanofotonica non lineare sta raggiungendo un livello di maturità in cui possiamo creare un design che collega lunghezze d'onda ampiamente separate e quindi ottenere un controllo di fabbricazione sufficiente per realizzare quel design, e le prestazioni previste, in pratica, " disse Srinivasan. "Andando avanti, dovrebbe essere possibile generare un'ampia gamma di lunghezze d'onda desiderate utilizzando un piccolo numero di laser a chip compatti combinati con nanofotonica non lineare flessibile e versatile".