Pesquisadores da CU Boulder desenvolveram microrressonadores ópticos altamente eficientes que podem suportar uma nova geração de tecnologias de detecção poderosas.
Um microrressonador é uma estrutura microscópica projetada para confinar a luz em um espaço pequeno. À medida que a luz circula no interior, sua intensidade aumenta. Quando esta intensidade atinge um nível suficiente, os cientistas podem realizar processos ópticos especializados que permitem a detecção e outras funções avançadas.
“Nosso trabalho é usar menor potência óptica com esses ressonadores para uso futuro”, disse Bright Lu, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação do quarto ano e principal autor do estudo. “Um dia, esses microrressonadores poderão ser adaptados para uma ampla gama de sensores, desde navegação até identificação química.”
O estudo foi publicado em Cartas sobre física aplicada.
O design do ressonador Racetrack reduz a perda de luz
Para obter maior desempenho, a equipe se concentrou em ressonadores de “pista de corrida”, assim chamados por seu formato de loop alongado que lembra uma pista de corrida.
Elas incluíam as “curvas de Euler”, um tipo de curva suave também encontrada em projetos de estradas e ferrovias. Assim como os veículos não conseguem fazer curvas repentinas em ângulo reto em alta velocidade, a luz não viaja com eficiência em curvas fechadas.
“Essas curvas da pista minimizam as perdas por flexão”, disse Vaughn Park, professor de engenharia elétrica da Sheppard e co-consultor do projeto. “Nosso design foi a principal inovação deste projeto.”
Ao direcionar a luz através de curvas graduais e cuidadosamente projetadas, os pesquisadores limitaram significativamente a quantidade de luz que escapa. Isso permitiu que os fótons circulassem por mais tempo no ressonador e interagissem de forma mais intensa.
Lou explicou que a perda excessiva de luz impede que o dispositivo atinja a alta intensidade necessária para um desempenho ideal.
Nanofabricação de Precisão na COSINC
Os microrressonadores foram fabricados na sala limpa Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC) usando um novo sistema de litografia por feixe de elétrons.
Essas instalações mantêm as condições rigorosamente controladas necessárias para produzir dispositivos confiáveis em escala extremamente pequena. Muitos componentes ópticos e fotônicos são menores que a largura de uma folha de papel, portanto, mesmo pequenas partículas de poeira ou pequenas imperfeições superficiais podem impedir a passagem da luz através deles.
“A litografia tradicional usa fótons e é fundamentalmente limitada pelo comprimento de onda da luz”, disse Lu. “No entanto, a litografia por feixe de elétrons não tem essa limitação. Com os elétrons, podemos realizar nossas estruturas com resolução subnanométrica, o que é muito importante para nossos microrressonadores.”
Lou descreveu o processo de fabricação como uma das partes mais gratificantes do projeto.
“Salas limpas são simplesmente legais. Você trabalha com essas máquinas enormes e precisas e então vê imagens das estruturas que você fez com apenas mícrons de largura. Transformar uma fina película de vidro em um circuito óptico funcional é realmente divertido.”
O vidro de calcogeneto proporciona perdas muito baixas
Um marco importante para a equipe foi a criação bem-sucedida de dispositivos usando calcogenetos, uma família de vidros semicondutores especializados.
“Esses calcogenetos são excelentes materiais para fotônica devido à sua alta transparência e não linearidade”, disse Park. “Nosso trabalho representa um dos dispositivos mais eficazes usando calcogenetos, senão o melhor.”
Os calcogenetos permitem a passagem de luz intensa com perdas mínimas, o que é muito importante para microrressonadores de alto desempenho. Ao mesmo tempo, são materiais difíceis de manusear, exigindo um equilíbrio cuidadoso durante a fabricação.
“Os calcogenetos são materiais complexos, mas úteis para trabalhar com dispositivos fotônicos não lineares”, disse a professora Juliette Gopinat, que colaborou com Park no projeto por mais de 10 anos. “Nossos resultados mostraram que a minimização da perda por flexão permite dispositivos de perdas ultrabaixas comparáveis às plataformas de última geração para outros materiais.”
Testes de laser e medições de ressonância
Após a fabricação, os dispositivos foram avaliados sob orientação de James Erickson, estudante de pós-graduação em física especializado em medições de laser. Ele ajustou lasers com guias de onda microscópicos para enviar luz para dentro e para fora da cavidade, observando seu comportamento no interior.
A equipe procurou por “quedas” no sinal de luz transmitido, o que indica uma ressonância que ocorre quando os fótons ficam presos e circulam dentro da estrutura. Ao estudar a forma dessas quedas, eles conseguiram determinar propriedades como absorção e efeitos térmicos.
“O indicador mais óbvio da qualidade de um dispositivo é o formato das ressonâncias, e queremos que sejam profundas e estreitas, como uma agulha perfurando o fundo do sinal”, disse Erickson. “Há muito tempo que procurávamos este tipo de ressonador e, quando vimos a ressonância nítida neste novo dispositivo, soubemos imediatamente que finalmente tínhamos decifrado o código.”
Erickson observou que compreender quanta luz é absorvida versus quanta é transmitida é fundamental para o desempenho do dispositivo. Aumentar a potência do laser pode causar aquecimento, que por sua vez pode alterar as propriedades do material ou até mesmo danificar o dispositivo.
“A forma como a maioria dos materiais interage com a luz também muda dependendo da temperatura do material”, disse Erickson. “Assim, quando o dispositivo esquenta, suas propriedades podem mudar e fazer com que ele se comporte de maneira diferente”.
Rumo a microlasers e fotônica quântica
Olhando para o futuro, esses microrressonadores poderiam ser usados para criar microlasers compactos, sensores químicos e biológicos altamente sensíveis e ferramentas para metrologia quântica e redes.
“Muitos componentes fotônicos de lasers, moduladores e detectores estão sendo desenvolvidos, e microrressonadores como o nosso ajudarão a unir todas essas peças”, disse Lu. “No final das contas, o objetivo é construir algo que você possa entregar a um fabricante e construir centenas de milhares deles.”
