Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y la Universidad de Maryland han desarrollado una tecnología de microchip que puede convertir la luz láser del infrarrojo cercano invisible en cualquiera de una panoplia de colores láser visibles, incluido el rojo, naranja, amarillo y verde. Su trabajo proporciona un nuevo enfoque para generar luz láser en microchips integrados.

La técnica tiene aplicaciones en el cronometraje de precisión y la ciencia de la información cuántica, que a menudo se basan en sistemas atómicos o de estado sólido que deben activarse con luz láser visible en longitudes de onda especificadas con precisión. El enfoque sugiere que se puede acceder a una amplia gama de tales longitudes de onda utilizando un único, plataforma a pequeña escala, en lugar de requerir voluminosos, láseres de mesa o una serie de diferentes materiales semiconductores. La construcción de tales láseres en microchips también proporciona una forma económica de integrar láseres con circuitos ópticos en miniatura necesarios para relojes ópticos y sistemas de comunicación cuántica.

El estudio, informó en la edición del 20 de octubre de Optica , contribuye a NIST on a Chip, un programa que miniaturiza la tecnología de ciencia de medición de última generación del NIST, permitiendo que se distribuya directamente a los usuarios de la industria, medicamento, defensa y academia.

Los sistemas atómicos que forman el corazón de los relojes experimentales más precisos y precisos y las nuevas herramientas para la ciencia de la información cuántica generalmente dependen de la luz láser visible (óptica) de alta frecuencia para operar. a diferencia de las microondas de frecuencia mucho más baja que se utilizan para establecer la hora oficial en todo el mundo.

Los científicos ahora están desarrollando tecnologías de sistemas ópticos atómicos que son compactos y operan a baja potencia para que puedan usarse fuera del laboratorio. Si bien se requieren muchos elementos diferentes para realizar tal visión, un ingrediente clave es el acceso a sistemas láser de luz visible que son pequeños, ligero y funciona a baja potencia.

Aunque los investigadores han logrado grandes avances en la creación de compactos, láseres de alto rendimiento en las longitudes de onda del infrarrojo cercano que se utilizan en las telecomunicaciones, Ha sido un desafío lograr un rendimiento equivalente en longitudes de onda visibles. Algunos científicos han avanzado mucho al emplear materiales semiconductores para generar láseres compactos de luz visible. A diferencia de, Xiyuan Lu, Kartik Srinivasan y sus colegas del NIST y la Universidad de Maryland en College Park adoptaron un enfoque diferente, centrándose en un material llamado nitruro de silicio, que tiene una respuesta no lineal pronunciada a la luz.

Los materiales como el nitruro de silicio tienen una propiedad especial:si la luz entrante tiene una intensidad suficientemente alta, el color de la luz que sale no necesariamente coincide con el color de la luz que entró. Esto se debe a que cuando los electrones ligados en un material óptico no lineal interactúan con la luz incidente de alta intensidad, los electrones vuelven a irradiar esa luz a frecuencias, o colores, que difieren de los de la luz incidente.

(Este efecto contrasta con la experiencia cotidiana de ver la luz rebotar en un espejo o refractarse a través de una lente. En esos casos, el color de la luz siempre permanece igual.)

Lu y sus colegas emplearon un proceso conocido como oscilación paramétrica óptica de tercer orden (OPO), en el que el material no lineal convierte la luz incidente en el infrarrojo cercano en dos frecuencias diferentes. Una de las frecuencias es más alta que la de la luz incidente, colocándolo en el rango visible, y el otro es de menor frecuencia, extendiéndose más profundamente en el infrarrojo. Aunque los investigadores han empleado OPO durante años para crear diferentes colores de luz en grandes, instrumentos ópticos de mesa, El nuevo estudio dirigido por el NIST es el primero en aplicar este efecto para producir longitudes de onda de luz visible particulares en un microchip que tiene el potencial de producción en masa.

Para miniaturizar el método OPO, los investigadores dirigieron la luz láser del infrarrojo cercano a un microrresonador, un dispositivo en forma de anillo de menos de una millonésima parte de un metro cuadrado de área y fabricado en un chip de silicio. La luz dentro de este microrresonador circula alrededor de 5, 000 veces antes de que se disipe, construyendo una intensidad lo suficientemente alta para acceder al régimen no lineal donde se convierte a las dos frecuencias de salida diferentes.

Para crear una multitud de colores visibles e infrarrojos, el equipo fabricó docenas de microrresonadores, cada uno con dimensiones ligeramente diferentes, en cada microchip. Los investigadores eligieron cuidadosamente estas dimensiones para que los diferentes microrresonadores produzcan luz de salida de diferentes colores. El equipo demostró que esta estrategia permitió que un solo láser de infrarrojo cercano que variaba en longitud de onda en una cantidad relativamente pequeña generara una amplia gama de colores específicos de luz visible e infrarroja.

En particular, aunque el láser de entrada opera en un rango estrecho de longitudes de onda del infrarrojo cercano (de 780 nanómetros a 790 nm), el sistema de microchip genera colores de luz visible que van del verde al rojo (560 nm a 760 nm) y longitudes de onda infrarrojas que van de 800 nm a 1, 200 nm.

"El beneficio de nuestro enfoque es que se puede acceder a cualquiera de estas longitudes de onda simplemente ajustando las dimensiones de nuestros microrresonadores, "dijo Srinivasan.

"Aunque fue una primera demostración, "Lu dijo, "Estamos entusiasmados con la posibilidad de combinar esta técnica de óptica no lineal con tecnología láser de infrarrojo cercano bien establecida para crear nuevos tipos de fuentes de luz en chip que se pueden utilizar en una variedad de aplicaciones".