La moderna industria della fotonica lavora costantemente per rendere i suoi dispositivi più compatti, che si tratti di sistemi informatici o sensori e lidar. Per questo, è necessario fare laser, transistor e altri elementi più piccoli. Un team di scienziati guidati da ricercatori ITMO ha proposto un metodo rapido e conveniente per creare chip ottici direttamente in una capsula di Petri. La ricerca è stata pubblicata su ACS Nano .

Oggi, l'utilizzo di dispositivi basati su laser microscopici e chip ottici sta diventando sempre più comune. Sono utilizzati nella produzione di lidar, nello sviluppo di nuovi biosensori, e in futuro, possono diventare la base per nuovi computer ottici che utilizzeranno fotoni anziché elettroni per trasferire ed elaborare le informazioni. I chip ottici odierni operano nella gamma dell'infrarosso (IR), cioè i laser che usano emettono a lunghezze d'onda invisibili all'occhio umano.

"Ma per rendere i dispositivi ancora più compatti, dobbiamo lavorare nel campo del visibile, poiché la dimensione di un chip dipende dalla lunghezza d'onda della sua emissione, "dice Sergey Makarov, capo ricercatore presso il Dipartimento di Fisica e Ingegneria dell'ITMO.

Un chip ottico è costituito da componenti come laser e guide d'onda. Mentre creare una sorgente che emetterebbe nella parte verde o rossa dello spettro è abbastanza facile, le guide d'onda per queste lunghezze d'onda possono essere un problema.

"Un microlaser è una fonte di emissione che devi guidare da qualche parte, "dice Ivan Sinev, ricercatore senior presso il Dipartimento di Fisica e Ingegneria dell'ITMO. "Ed è a questo che servono le guide d'onda. Ma le guide d'onda standard in silicio utilizzate nell'ottica IR non funzionano nella gamma visibile. Trasmettono il segnale non oltre diversi micrometri. Per un chip ottico, dobbiamo trasmettere lungo decine di micrometri con una localizzazione elevata, in modo che la guida d'onda abbia un diametro molto piccolo e la luce passi sufficientemente lontano attraverso di essa."

Gli scienziati hanno tentato di sostituire le guide d'onda di silicio con quelle d'argento, ma anche la distanza di trasmissione in tali sistemi era insufficiente. Alla fine, un team di scienziati che includeva specialisti dell'Università ITMO ha utilizzato il fosfuro di gallio come materiale per le guide d'onda, in quanto ha perdite molto basse nella banda visibile. Ma la cosa più importante è che sia la sorgente luminosa può essere coltivata direttamente su una guida d'onda in una capsula di Petri utilizzando metodi chimici in soluzione, che è molto più economico della nanolitografia comunemente usata.

La dimensione degli elementi del nuovo chip è circa tre volte inferiore a quella delle sue controparti che funzionano nella gamma spettrale IR.

"L'importante proprietà del chip è la sua capacità di sintonizzare il colore di emissione dal verde al rosso utilizzando una procedura molto semplice:uno scambio anionico tra perovskite e vapore di alogenuri di idrogeno, "dice Anatoly Pushkarev, ricercatore senior presso il Dipartimento di Fisica e Ingegneria dell'ITMO. "È importante che puoi cambiare il colore di emissione dopo la produzione del chip, e questo processo è reversibile. Questo potrebbe essere utile per i dispositivi che devono trasmettere molti segnali ottici a diverse lunghezze d'onda. Per esempio, puoi creare diversi laser per un tale dispositivo, collegarli ad un'unica guida d'onda, e usalo per trasmettere più segnali di diversi colori contemporaneamente."

Gli scienziati hanno anche dotato il chip appena creato di una nanoantenna ottica in perovskite che riceve il segnale che viaggia lungo la guida d'onda e consente di unire due chip in un unico sistema.

"Abbiamo aggiunto una nanoantenna all'altra estremità della nostra guida d'onda, " spiega Pavel Trofimov, dottorato di ricerca studente presso il Dipartimento di Fisica e Ingegneria dell'ITMO. "Così ora, abbiamo una fonte di luce, una guida d'onda, e una nanoantenna che emette luce quando pompata dall'emissione del microlaser. Abbiamo aggiunto un'altra guida d'onda ad esso:di conseguenza, l'emissione di un singolo laser è andata in due guide d'onda. Allo stesso tempo, la nanoantenna non si è limitata a collegare questi elementi in un unico sistema, ma ha anche convertito parte della luce verde nello spettro rosso."