Il team del Photonic Systems Laboratory (PHOSL) dell'EPFL ha sviluppato una sorgente laser su scala di chip che migliora le prestazioni dei laser a semiconduttore consentendo al tempo stesso la generazione di lunghezze d'onda più corte.
Questo lavoro pionieristico, guidato dalla professoressa Camille Brès e dal ricercatore post-dottorato Marco Clementi della Facoltà di Ingegneria dell'EPFL, rappresenta un progresso significativo nel campo della fotonica, con implicazioni per le telecomunicazioni, la metrologia e altre applicazioni ad alta precisione.
Lo studio, pubblicato sulla rivista Light:Science &Applications , rivela come i ricercatori PHOSL, in collaborazione con il Laboratorio di Fotonica e Misure Quantistiche, hanno integrato con successo laser a semiconduttore con circuiti fotonici di nitruro di silicio contenenti microrisonatori. Questa integrazione si traduce in un dispositivo ibrido che emette una luce altamente uniforme e precisa sia nel vicino infrarosso che nel visibile, colmando un divario tecnologico che da tempo rappresenta una sfida per il settore.
"I laser a semiconduttore sono onnipresenti nella tecnologia moderna, presenti ovunque, dagli smartphone alle comunicazioni in fibra ottica. Tuttavia, il loro potenziale è stato limitato dalla mancanza di coerenza e dall'incapacità di generare luce visibile in modo efficiente", spiega il professor Brès. "Il nostro lavoro non solo migliora la coerenza di questi laser, ma ne sposta anche l'emissione verso lo spettro visibile, aprendo nuove strade per il loro utilizzo."
La coerenza, in questo contesto, si riferisce all'uniformità delle fasi delle onde luminose emesse dal laser. Alta coerenza significa che le onde luminose sono sincronizzate, producendo un raggio con un colore o una frequenza molto precisi. Questa proprietà è fondamentale per le applicazioni in cui la precisione e la stabilità del raggio laser sono fondamentali, come il cronometraggio e il rilevamento di precisione.
L'approccio del team prevede l'accoppiamento dei laser a semiconduttore disponibili in commercio con un chip di nitruro di silicio. Questo minuscolo chip è creato con la tecnologia CMOS standard del settore ed economicamente vantaggiosa. Grazie alle eccezionali proprietà a bassa perdita del materiale, la luce che viene assorbita o fuoriesce è minima o nulla.
La luce del laser a semiconduttore scorre attraverso guide d'onda microscopiche in cavità estremamente piccole, dove il raggio viene intrappolato. Queste cavità, chiamate risonatori a microanello, sono progettate in modo complesso per risuonare a frequenze specifiche, amplificando selettivamente le lunghezze d'onda desiderate attenuandone altre, ottenendo così una maggiore coerenza nella luce emessa.
L'altro risultato significativo è la capacità del sistema ibrido di raddoppiare la frequenza della luce proveniente dal laser a semiconduttore commerciale, consentendo il passaggio dallo spettro del vicino infrarosso allo spettro della luce visibile.
La relazione tra frequenza e lunghezza d'onda è inversamente proporzionale, ovvero se la frequenza raddoppia, la lunghezza d'onda si riduce della metà. Mentre lo spettro del vicino infrarosso viene sfruttato per le telecomunicazioni, frequenze più elevate sono essenziali per costruire dispositivi più piccoli ed efficienti dove sono necessarie lunghezze d'onda più corte, come negli orologi atomici e nei dispositivi medici.
Queste lunghezze d’onda più corte si ottengono quando la luce intrappolata nella cavità subisce un processo chiamato polarizzazione all-optic, che induce quella che è nota come non linearità di secondo ordine nel nitruro di silicio. La non linearità in questo contesto significa che c'è uno spostamento significativo, un salto di grandezza, nel comportamento della luce che non è direttamente proporzionale alla sua frequenza derivante dalla sua interazione con il materiale.
Il nitruro di silicio normalmente non provoca questo specifico effetto non lineare di secondo ordine e il team ha eseguito un'elegante impresa ingegneristica per indurlo:il sistema sfrutta la capacità della luce quando risuona all'interno della cavità per produrre un'onda elettromagnetica che provoca le proprietà non lineari in il materiale.
"Non stiamo solo migliorando la tecnologia esistente, ma stiamo anche ampliando i confini di ciò che è possibile fare con i laser a semiconduttore", afferma Marco Clementi, che ha svolto un ruolo chiave nel progetto. "Colmando il divario tra le telecomunicazioni e le lunghezze d'onda visibili, stiamo aprendo la porta a nuove applicazioni in campi come l'imaging biomedico e il cronometraggio di precisione."
Una delle applicazioni più promettenti di questa tecnologia è nella metrologia, in particolare nello sviluppo di orologi atomici compatti. La storia dei progressi della navigazione dipende dalla portabilità di orologi accurati:dalla determinazione della longitudine in mare nel XVI secolo alla garanzia della navigazione accurata delle missioni spaziali fino al raggiungimento di una migliore geolocalizzazione oggi.
"Questo significativo progresso getta le basi per le tecnologie future, alcune delle quali devono ancora essere concepite", osserva Clementi.
La profonda conoscenza del team della fotonica e della scienza dei materiali porterà potenzialmente a dispositivi più piccoli e leggeri e ridurrà il consumo energetico e i costi di produzione dei laser. La loro capacità di prendere un concetto scientifico fondamentale e di tradurlo in un'applicazione pratica utilizzando una fabbricazione standard del settore sottolinea il potenziale di risolvere sfide tecnologiche complesse che possono portare a progressi imprevisti.
Ulteriori informazioni: Marco Clementi et al, Una sorgente di seconda armonica su scala di chip tramite polarizzazione completamente ottica con autoiniezione bloccata, Luce:scienza e applicazioni (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01329-6
Informazioni sul giornale: Luce:scienza e applicazioni
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