Laser ultrarrápido ganhador do Nobel agora foi colocado dentro de um chip

Redação do Site Inovação Tecnológica - 10/11/2023

A inovação mereceu a capa da revista Science.
[Imagem: A. Fisher/Science]

Laser de modo bloqueado

Pesquisadores e engenheiros do Instituto de Tecnologia da Califórnia conseguiram um feito há muito esperado: Eles miniaturizaram um laser pulsado ultrarrápido a ponto de fabricá-lo dentro de um chip.

As fontes de luz com pulsos extremamente curtos, na faixa dos femtossegundos para baixo (1 femtossegundo = 10^-15 segundo) não ganharam o Prêmio Nobel de Física deste ano por acaso: Os lasers ultrarrápidos são indispensáveis para desvendar os segredos das escalas de tempo mais rápidas da natureza, como a criação ou quebra de ligações moleculares durante reações químicas ou a propagação da luz.

A alta velocidade, intensidade de pico de pulso e cobertura de amplo espectro de lasers com modo bloqueado também permitiram inúmeras tecnologias fotônicas, incluindo relógios atômicos ópticos, imagens biológicas e computadores que usam luz para calcular e processar dados - lasers de modo bloqueado são aqueles que emitem pulsos ultracurtos, com uma taxa de repetição muito elevada.

Infelizmente, os lasers pulsados ultrarrápidos de última geração atualmente são sistemas de mesa caros, intensivos em energia e, portanto, limitados ao uso em laboratório.

Assim, também não foi por acaso que a colocação do laser dentro de um chip, obtida por Qiushi Guo e seus colegas, mereceu a capa da revista Science.

"Nosso objetivo é revolucionar o campo da fotônica ultrarrápida, transformando grandes sistemas baseados em laboratório em sistemas do tamanho de chips que possam ser produzidos em massa e implantados em campo," disse Guo.

Ficou mais difícil de ver, mas o laser em um chip abre inúmeras oportunidades de aplicação fora dos laboratórios.
[Imagem: Alireza Marandi]

Laser pulsado em um chip

Fabricar um laser de modo bloqueado eficaz dentro de um chip não é um processo simples. Guo conseguiu isto tirando proveito de um material emergente, conhecido como película fina de niobato de lítio (TFLN). Este material permite uma modelagem muito eficiente e um controle preciso dos pulsos de laser, aplicando um sinal elétrico externo de radiofrequência.

A equipe combinou de forma inédita o alto ganho dos lasers de semicondutores III-V e a capacidade eficiente de modelagem dos pulsos dos guias de onda fotônicos em nanoescala - estes feitos de niobato de lítio - para construir um protótipo de laser que emite uma potência de pico de 0,5 watt, o que é muito para um laser dentro de um chip. Mas a equipe quer mais.

"Não queremos apenas tornar as coisas menores, mas também queremos garantir que esses lasers ultrarrápidos do tamanho de um chip ofereçam desempenho satisfatório. Por exemplo, precisamos de intensidade de pico de pulso suficiente, de preferência acima de 1 watt, para criar sistemas em escala de chip significativos," disse Guo.

Além de seu tamanho compacto, o laser de modo bloqueado em um chip também apresentou propriedades além do alcance dos lasers convencionais, com implicações profundas para aplicações futuras. Por exemplo, ajustando a corrente de bombeamento do laser, Guo conseguiu sintonizar com precisão as frequências de repetição dos pulsos de saída em uma faixa muito ampla, de 200 MHz. Isso abre caminho para construir pentes de frequência com emissão estabilizada, que são vitais para a detecção de precisão.

"Essa conquista abre caminho para o uso de telefones celulares para diagnosticar doenças oculares ou analisar alimentos e ambientes em busca de coisas como E. coli e vírus perigosos," disse Guo. "Ele também pode permitir construir relógios atômicos futuristas em escala de chip, que permitam a navegação quando o GPS estiver comprometido ou indisponível."

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