Los investigadores de la EPFL han desarrollado un dispositivo híbrido que mejora drásticamente la omnipresente tecnología láser.

El equipo del Laboratorio de Sistemas Fotónicos (PHOSL) de la EPFL ha desarrollado una fuente láser a escala de oblea 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 Brace y el investigador postdoctoral Marco Clemente de la Escuela de Ingeniería de la EPFL, representa un avance importante en el campo de la fotónica, con implicaciones para las telecomunicaciones, la metrología y otras aplicaciones de alta precisión.

Integración innovadora para mejorar el agarre y la visibilidad.

El estudio fue publicado en la revista Luz: ciencia y aplicacionesRevela cómo los investigadores de PHOSL, en colaboración con el Laboratorio de Mediciones y Fotónica Cuántica, combinaron con éxito láseres semiconductores con circuitos fotónicos de nitruro de silicio que contienen microresonadores. Esta integración da como resultado un dispositivo híbrido capaz de emitir luz uniforme y de alta precisión tanto en el rango visible como en el infrarrojo cercano, 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 teléfonos inteligentes hasta 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”. Nuestro trabajo no mejora la coherencia “No sólo estos láseres, sino también desplazando su producción hacia el espectro visible, abriendo nuevos horizontes para su uso”.

Profesora Camille Brace y Marco Clemente en el laboratorio. Crédito: © 2023 EPFL/Alan Herzog – CC-BY-SA 4.0

En este contexto, la coherencia se refiere a la regularidad de las fases de las ondas de luz emitidas por el láser. Alta coherencia significa que las ondas de luz están sincronizadas, lo que da como resultado un haz con un color o frecuencia muy preciso. Esta propiedad es esencial para aplicaciones donde la precisión y estabilidad del rayo láser son críticas, como la sincronización y la detección precisas.

Aumente la precisión y mejore la funcionalidad

El enfoque del equipo implica acoplar láseres semiconductores disponibles comercialmente a un chip de nitruro de silicio. Este microchip está construido utilizando tecnología CMOS rentable y estándar de la industria. Gracias a las excepcionales propiedades de baja pérdida del material, se absorbe o se escapa poca luz. La luz de un láser semiconductor fluye a través de guías de ondas microscópicas hacia cavidades muy pequeñas, donde queda atrapado el haz. Estas cavidades, llamadas resonadores de microanillos, están intrincadamente diseñadas para resonar en frecuencias específicas, amplificando selectivamente las longitudes de onda deseadas y atenuando otras longitudes de onda, logrando así una mayor coherencia en la luz emitida.

Otro avance significativo es la capacidad del sistema híbrido de duplicar la frecuencia de la luz proveniente de un 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 comunicaciones, se necesitan frecuencias más altas 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 sufre un proceso llamado polarización óptica completa, 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, o salto de magnitud, en el comportamiento de la luz que no es directamente proporcional a su frecuencia y que surge de su interacción con la materia. El nitruro de silicio normalmente no da lugar a este efecto no lineal de segundo orden, y el equipo realizó una elegante hazaña de ingeniería para inducirlo: el sistema aprovecha la capacidad de la luz, cuando resuena dentro de la cavidad, para producir una onda electromagnética que excita las propiedades no lineales. En el artículo.

Allanando el camino para las tecnologías futuras

“No sólo mejoramos la tecnología existente, sino que también ampliamos los límites de lo que es posible con los láseres semiconductores”, afirma Marco Clemente, que desempeñó un papel clave en el proyecto. “Al cerrar la brecha entre las comunicaciones y las longitudes de onda visibles, abrimos la puerta a nuevas aplicaciones en áreas como las imágenes biomédicas y el cronometraje preciso”.

Una aplicación prometedora de esta tecnología es la metrología, especialmente en el desarrollo de relojes atómicos compactos. La historia del progreso de la navegación depende de la posibilidad de transmitir relojes precisos, comenzando con la determinación de la longitud en el mar en el siglo XVI.^y siglo para garantizar una navegación precisa para las misiones espaciales y lograr una mejor geolocalización en la actualidad. “Este gran avance sienta las bases para tecnologías futuras, algunas de las cuales aún no han sido concebidas”, señala Clemente.

El profundo conocimiento del equipo sobre fotónica y ciencia de materiales probablemente conducirá a dispositivos más pequeños y livianos y reducirá el consumo de energía y los costos de producción del láser. Su capacidad para tomar un concepto científico básico y traducirlo en una aplicación práctica mediante la fabricación estándar de la industria subraya el potencial para resolver desafíos tecnológicos complejos que pueden conducir a avances inesperados.

Referencia: “Fuente de segundo armónico a escala de oblea mediante polarización óptica completa bloqueada por autoinyección” por Marco Clemente, Edgars Nietes, Junqiu Liu, Elena Duran-Valdeglesias, Sofiane Belhassine, Helene Debrigias, Tobias J. Kippenberg y Camille-Sophie Preis , 8 de diciembre de 2023 , Luz: ciencia y aplicaciones.
doi: 10.1038/s41377-023-01329-6