El equipo del Laboratorio de Sistemas Fotónicos (PHOSL) de EPFL ha desarrollado una fuente láser a escala de chip que mejora el rendimiento de los láseres semiconductores al tiempo que permite la generación de longitudes de onda más cortas.
Este trabajo pionero, dirigido por la profesora Camille Brès y el investigador postdoctoral Marco Clementi de la Escuela de Ingeniería de la EPFL, representa un avance significativo en el campo de la fotónica, con implicaciones para las telecomunicaciones, la metrología y otras aplicaciones de alta precisión.
El estudio, publicado en la revista Light:Science &Applications , revela cómo los investigadores de PHOSL, en colaboración con el Laboratorio de Fotónica y Mediciones Cuánticas, han integrado con éxito láseres semiconductores con circuitos fotónicos de nitruro de silicio que contienen microresonadores. Esta integración da como resultado un dispositivo híbrido que emite luz altamente uniforme y precisa tanto en rangos visibles como infrarrojos cercanos, llenando un vacío tecnológico que ha desafiado durante mucho tiempo a la industria.
"Los láseres semiconductores son omnipresentes en la tecnología moderna y se encuentran en todo, desde los teléfonos inteligentes hasta las comunicaciones de fibra óptica. Sin embargo, su potencial se ha visto limitado por la falta de coherencia y la incapacidad de generar luz visible de manera eficiente", explica el profesor Brès. "Nuestro trabajo no sólo mejora la coherencia de estos láseres, sino que también desplaza su salida hacia el espectro visible, abriendo nuevas vías para su uso".
La coherencia, en este contexto, se refiere a la uniformidad de las fases de las ondas de luz emitidas por el láser. La alta coherencia significa que las ondas de luz están sincronizadas, lo que genera un haz con un color o frecuencia muy preciso. Esta propiedad es crucial para aplicaciones donde la precisión y la estabilidad del rayo láser son primordiales, como el cronometraje y la detección de precisión.
El enfoque del equipo implica acoplar láseres semiconductores disponibles comercialmente con un chip de nitruro de silicio. Este pequeño chip se crea con tecnología CMOS rentable y estándar de la industria. Gracias a las excepcionales propiedades de baja pérdida del material, se absorbe o se escapa poca o ninguna luz.
La luz del láser semiconductor fluye a través de guías de ondas microscópicas hacia cavidades extremadamente pequeñas, donde queda atrapado el rayo. Estas cavidades, llamadas resonadores de microanillos, están intrincadamente diseñadas para resonar en frecuencias específicas, amplificando selectivamente las longitudes de onda deseadas y atenuando otras, logrando así una mayor coherencia en la luz emitida.
El otro logro significativo es la capacidad del sistema híbrido de duplicar la frecuencia de la luz proveniente del láser semiconductor comercial, lo que permite un cambio del espectro del infrarrojo cercano al espectro de luz visible.
La relación entre frecuencia y longitud de onda es inversamente proporcional, es decir, si se duplica la frecuencia, la longitud de onda se reduce a la mitad. Si bien el espectro del infrarrojo cercano se explota para las telecomunicaciones, las frecuencias más altas son esenciales para construir dispositivos más pequeños y eficientes donde se necesitan longitudes de onda más cortas, como en los relojes atómicos y los dispositivos médicos.
Estas longitudes de onda más cortas se logran cuando la luz atrapada en la cavidad se somete a un proceso llamado polarización totalmente óptica, que induce lo que se conoce como no linealidad de segundo orden en el nitruro de silicio. La no linealidad en este contexto significa que hay un cambio significativo, un salto en magnitud, en el comportamiento de la luz que no es directamente proporcional a su frecuencia que surge de su interacción con el material.
El nitruro de silicio normalmente no incurre en este efecto no lineal de segundo orden específico, y el equipo realizó una elegante hazaña de ingeniería para inducirlo:el sistema aprovecha la capacidad de la luz al resonar dentro de la cavidad para producir una onda electromagnética que provoca las propiedades no lineales en el material.
"No sólo mejoramos la tecnología existente, sino que también ampliamos los límites de lo que es posible con los láseres semiconductores", afirma Marco Clementi, que desempeñó un papel clave en el proyecto. "Al cerrar la brecha entre las telecomunicaciones y las longitudes de onda visibles, estamos abriendo la puerta a nuevas aplicaciones en campos como las imágenes biomédicas y el cronometraje de precisión".
Una de las aplicaciones más prometedoras de esta tecnología es la metrología, particularmente en el desarrollo de relojes atómicos compactos. La historia de los avances en navegación depende de la portabilidad de relojes precisos, desde determinar la longitud en el mar en el siglo XVI hasta garantizar la navegación precisa de las misiones espaciales y lograr una mejor geolocalización en la actualidad.
"Este importante avance sienta las bases para futuras tecnologías, algunas de las cuales aún están por concebir", señala Clementi.
El profundo conocimiento del equipo sobre fotónica y ciencia de materiales conducirá potencialmente a dispositivos más pequeños y livianos y reducirá el consumo de energía y los costos de producción de los láseres. Su capacidad para tomar un concepto científico fundamental y traducirlo en una aplicación práctica utilizando una fabricación estándar de la industria subraya el potencial de resolver desafíos tecnológicos complejos que pueden conducir a avances imprevistos.
Más información: Marco Clementi et al, Una fuente de segundo armónico a escala de chip mediante polarización totalmente óptica bloqueada por autoinyección, Luz:ciencia y aplicaciones (2023). DOI:10.1038/s41377-023-01329-6
Información de la revista: Luz:ciencia y aplicaciones
Proporcionado por Ecole Polytechnique Federale de Lausanne
