Los investigadores han diseñado una nueva fuente de luz con chip integrado que puede transformar longitudes de onda infrarrojas en longitudes de onda visibles. que han sido difíciles de producir con tecnología basada en chips de silicio. Este enfoque flexible para la generación de luz en el chip está preparado para permitir una instrumentación fotónica altamente miniaturizada que sea fácil de fabricar y lo suficientemente resistente para usar fuera del laboratorio.

En Optica , La revista de la Optical Society (OSA) para investigaciones de alto impacto, investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), Universidad de Maryland, y la Universidad de Colorado describen su nueva fuente de luz de oscilador paramétrico óptico (OPO) y muestran que puede producir luz de salida de un color muy diferente, o longitud de onda, que la luz de entrada. Además de crear luz en longitudes de onda visibles, la OPO genera simultáneamente longitudes de onda de infrarrojo cercano que se pueden utilizar para aplicaciones de telecomunicaciones.

"Nuestro enfoque flexible y de uso eficiente de la energía genera luz láser coherente en un rango de longitudes de onda más amplio que lo que es accesible desde láseres integrados en chip directo, ", dijo el líder del equipo de investigación Kartik Srinivasan." La creación de luz visible en el chip se puede utilizar como parte de dispositivos compactos altamente funcionales, como relojes atómicos basados ​​en chips o dispositivos para análisis bioquímicos portátiles. El desarrollo de OPO en una plataforma de fotónica de silicio crea el potencial para la fabricación escalable de estos dispositivos en fundiciones de fabricación comercial, lo que podría hacer que este enfoque sea muy rentable ".

Explotación de procesos no lineales

Aunque la respuesta de un material a la luz suele escalar linealmente, las propiedades del material pueden cambiar más rápidamente en respuesta a la luz a alta potencia, que crea varios efectos no lineales. Los OPO son un tipo de láser que utiliza efectos ópticos no lineales para crear una gama muy amplia de longitudes de onda de salida.

Los investigadores querían descubrir cómo tomar la emisión láser a una longitud de onda fácilmente disponible con láseres de chip compacto y combinarla con nanofotónica no lineal para generar luz láser en longitudes de onda que de otro modo serían difíciles de alcanzar con plataformas de fotónica de silicio.

"Las tecnologías ópticas no lineales ya se utilizan como componentes integrales de los láseres en los mejores relojes atómicos del mundo y en muchos sistemas de espectroscopía de laboratorio, "dijo Xiyuan Lu, primer autor del artículo y becario postdoctoral del NIST-University of Maryland. "Poder acceder a diferentes tipos de funciones ópticas no lineales, incluidas las OPO, dentro de la fotónica integrada es importante para la transición de tecnologías actualmente basadas en laboratorios a plataformas que son portátiles y se pueden implementar en el campo ".

En el nuevo trabajo los investigadores diseñaron un OPO basado en un microrrendo hecho de nitruro de silicio. Este componente óptico es alimentado por aproximadamente 1 milivatio de potencia de láser infrarrojo, aproximadamente la misma cantidad de potencia que se encuentra en un puntero láser. A medida que la luz viaja alrededor del microring, aumenta su intensidad óptica hasta que es lo suficientemente potente como para crear una respuesta óptica no lineal en el nitruro de silicio. Esto permite la conversión de frecuencia, un proceso no lineal que se puede utilizar para producir una longitud de onda de salida, o frecuencia, que es diferente a la de la luz que entra en el sistema.

"Los avances recientes en la ingeniería nanofotónica han hecho que este método de conversión de frecuencia sea muy eficiente, ", dijo Lu." Un avance clave en nuestro trabajo fue descubrir cómo promover la interacción no lineal específica de interés mientras se suprimen los procesos no lineales en competencia potenciales que pueden surgir en este sistema ".

Probando la fuente de luz

Los investigadores diseñaron la nueva fuente de luz en chip utilizando simulaciones electromagnéticas detalladas. Luego hicieron el dispositivo y lo usaron para convertir la luz de entrada de 900 nanómetros en bandas de longitud de onda de 700 nanómetros (visible) y de longitud de onda de 1300 nanómetros (telecomunicaciones). La OPO logró esto usando menos del 2 por ciento de la potencia del láser de la bomba requerida por las OPO de microrresonador previamente reportadas desarrolladas para generar colores de salida ampliamente separados. En los casos anteriores, ambos colores generados estaban en el infrarrojo. Con unos sencillos cambios en las dimensiones de los microrrajes, la OPO también produjo luz en las bandas de telecomunicaciones visibles de 780 nm y de 1500 nanómetros.

Los investigadores dicen que el nuevo OPO podría usarse para hacer un sistema completo combinando un láser de diodo de infrarrojo cercano comercial y económico con un chip OPO que también integra componentes como filtros, detectores y una sección de espectroscopia. Continúan buscando formas de aumentar la potencia de salida generada por el OPO.

"Este trabajo demuestra que la nanofotónica no lineal está alcanzando un nivel de madurez en el que podemos crear un diseño que conecte longitudes de onda muy separadas y luego lograr suficiente control de fabricación para realizar ese diseño, y el rendimiento previsto, en la práctica, "dijo Srinivasan." Avanzando, debería ser posible generar una amplia gama de longitudes de onda deseadas utilizando una pequeña cantidad de láseres de chip compactos combinados con nanofotónica no lineal flexible y versátil ".