Durante décadas, os lasers ultrarrápidos estiveram entre as ferramentas mais poderosas da óptica moderna. Seus pulsos duram apenas algumas centenas de femtossegundos, ou quatrilionésimos de segundo, permitindo tecnologias que vão desde fabricação de precisão e cirurgia ocular até pentes de frequência óptica, uma inovação ganhadora do Prêmio Nobel que fornece os relógios atômicos ópticos mais precisos do mundo.
Apesar de sua importância, esses lasers continuam sendo, em sua maioria, sistemas grandes e caros que ocupam mesas ópticas inteiras.
Agora, pesquisadores liderados pelo professor Tobias J. Kippenberg, da EPFL, alcançaram um avanço que poderia reduzir significativamente a tecnologia. Escrevendo em NaturezaA equipe relata o primeiro laser ultrarrápido integrado capaz de desempenho comparável aos tradicionais lasers de femtosegundo de bancada. O dispositivo fornece uma energia de pulso de 1,05 nanojoules e uma duração de pulso de apenas 147 femtossegundos, tudo a partir de um chip fotônico.
Apresentando lasers ultrarrápidos em chips fotônicos
Os chips fotônicos manipulam a luz usando estruturas microscópicas chamadas guias de onda que são gravadas em um wafer. Da mesma forma que os chips eletrônicos direcionam sinais elétricos, os chips fotônicos direcionam e processam a luz.
Esses chips já são amplamente utilizados em telecomunicações e ajudaram a miniaturizar muitas tecnologias ópticas que anteriormente exigiam hardware muito maior.
“Por mais de vinte anos, o laser de femtosegundo de alta energia de pulso em um chip tem sido amplamente considerado o Santo Graal da fotônica integrada”, diz Kippenberg. “Nosso resultado mostra que isso não só é possível, mas pode ser alcançado com uma arquitetura surpreendentemente elegante que tem sido negligenciada pela comunidade fotônica integrada.”
Um design de laser esquecido ajuda
Para realizar esse feito, os pesquisadores adotaram uma arquitetura de laser conhecida como oscilador Mamyshev, um projeto que tem recebido relativamente pouca atenção em fotônica integrada.
O sistema contém um guia de ondas não linear entre dois filtros ópticos, cada um dos quais transmite uma parte diferente do espectro de luz. À medida que o intenso pulso de laser viaja através do guia de ondas, ele se expande para um espectro mais amplo de cores. Uma porção deste pulso ampliado pode então passar através de ambos os filtros e continuar a circular na cavidade do laser.
A luz mais fraca se comporta de maneira diferente. Como não se expande o suficiente, é bloqueado por filtros e removido do loop.
“Este projeto é particularmente atraente porque não requer componentes difíceis de fabricar neste chip de nitreto de silício dopado com érbio”, explica Zheru Qiu, um dos principais autores do artigo.
Segundo Qiu, o design oferece outra vantagem importante. Os chips fotônicos confinam a luz a guias de onda extremamente pequenos, fazendo com que a luz interaja fortemente consigo mesma. Em muitas arquiteturas de laser, esses efeitos não lineares podem desestabilizar os pulsos de laser. O oscilador Mamyshev, no entanto, é muito menos suscetível a estes problemas, tornando-o particularmente adequado para dispositivos fotônicos integrados.
Dispositivo minúsculo, grande potencial
A cavidade do laser tem 42 centímetros de comprimento, mas pode ser dobrada em um chip do tamanho de uma cabeça de fósforo. Isso o torna muito menor do que os lasers ultrarrápidos convencionais baseados em fibra.
Como os chips fotônicos podem ser fabricados em escala de wafer usando técnicas semelhantes às usadas para chips de computador, mais de 1.000 cavidades de laser podem ser fabricadas simultaneamente. Essa vantagem de fabricação poderia reduzir significativamente o custo de lasers ultrarrápidos e, ao mesmo tempo, expandir sua disponibilidade para detecção, espectroscopia e medições de precisão.
“Com potência de pico no nível de quilowatts, o chip pode conduzir aplicações exigentes que há muito dependem de lasers de laboratório grandes e caros”, diz Qiu.
Os pesquisadores acreditam que a tecnologia poderá eventualmente levar a dispositivos portáteis e acessíveis para detectar poluentes ambientais, detectar defeitos ocultos em materiais e realizar diagnósticos médicos. Também poderia ajudar a preparar o caminho para relógios atômicos ópticos compactos, que poderiam desempenhar um papel importante em futuros sistemas de comunicação e navegação.
Pesquisadores do Instituto de Elétrica e Microengenharia da EPFL e Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) participaram do trabalho.
