Los investigadores han diseñado una nueva fuente de luz integrada en un chip que puede transformar las longitudes de onda infrarrojas en longitudes de onda visibles, que han sido difíciles de producir con tecnología basada en chips de silicio.
Este enfoque flexible para la generación de luz integrada en chip está preparado para permitir una instrumentación fotónica altamente miniaturizada que es fácil de fabricar y lo suficientemente resistente como para usarla fuera del laboratorio.
El dispositivo basado en silicio puede permitir una variedad de aplicaciones fotónicas
En Optica , la revista de la Sociedad Óptica ( OSA ) para la investigación de alto impacto, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Universidad de Maryland y la Universidad de Colorado describen su nueva fuente de luz del oscilador paramétrico óptico (OPO) y muestran que puede producir luz de salida de un color muy diferente, o longitud de onda, que la luz de entrada. Además de crear luz a longitudes de onda visibles, el OPO genera simultáneamente longitudes de onda de infrarrojas que pueden usarse para aplicaciones de telecomunicaciones.
Sobre la imagen de portada: Se produce una oscilación paramétrica óptica eficiente en un microring (anillo azul claro central) en un chip de silicio, de modo que un láser infrarrojo (longitud de onda de 900 nanómetros, representado en verde) acoplado al anillo se transforma en luz tanto en lo visible (700 longitud de onda del nanómetro, representada en rojo) y telecomunicaciones (longitud de onda de 1300 nanómetros, representada en azul).
«Nuestro enfoque flexible y eficiente en el consumo de energía genera luz láser coherente en un rango de longitudes de onda más amplias que las que son accesibles desde los láseres integrados con chip directo», dijo el líder del equipo de investigación Kartik Srinivasan. “La creación de luz visible en el chip puede usarse como parte de dispositivos compactos altamente funcionales, como relojes atómicos basados en chips o dispositivos para análisis bioquímicos portátiles. El desarrollo de OPO en una plataforma de fotónica de silicio crea el potencial para la fabricación escalable de estos dispositivos en fundiciones de fabricación comercial, lo que podría hacer que este enfoque sea muy rentable «.
Explotar procesos no lineales
Aunque la respuesta de un material a la luz generalmente se escala linealmente, las propiedades del material pueden cambiar más rápidamente en respuesta a la luz a alta potencia, lo que crea varios efectos no lineales. Los OPO son un tipo de láser que utiliza efectos ópticos no lineales para crear un rango muy amplio de longitudes de onda de salida.
Los investigadores querían descubrir cómo tomar la emisión láser a una longitud de onda fácilmente disponible con láser de chip compacto y combinarlo con nanofotónica no lineal para generar luz láser a longitudes de onda que de otro modo serían difíciles de alcanzar con plataformas fotónicas de silicio.
«Las tecnologías ópticas no lineales ya se utilizan como componentes integrales de los láseres en los mejores relojes atómicos del mundo y en muchos sistemas de espectroscopía de laboratorio», dijo Xiyuan Lu, primer autor del artículo y erudito postdoctoral de la Universidad de Maryland. «Poder acceder a diferentes tipos de funcionalidad óptica no lineal, incluidos los OPO, dentro de la fotónica integrada es importante para la transición de las tecnologías actualmente basadas en laboratorios a plataformas que son portátiles y pueden implementarse en el campo».
En el nuevo trabajo, los investigadores diseñaron un OPO basado en un microring hecho de nitruro de silicio. Este componente óptico es alimentado por aproximadamente 1 milivatio de potencia de láser infrarrojo, aproximadamente la misma cantidad de potencia que se encuentra en un puntero láser. A medida que la luz viaja alrededor de la microrred, aumenta en intensidad óptica hasta que sea lo suficientemente potente como para crear una respuesta óptica no lineal en nitruro de silicio. Esto permite la conversión de frecuencia, un proceso no lineal que se puede utilizar para producir una longitud de onda de salida, o frecuencia, que es diferente de la de la luz que ingresa al sistema.
«El progreso reciente en la ingeniería nanofotónica ha hecho que este método de conversión de frecuencia sea muy eficiente», dijo Lu. «Un avance clave en nuestro trabajo fue descubrir cómo promover la interacción específica no lineal de interés mientras se suprimen los posibles procesos no lineales competitivos que pueden surgir en este sistema».
Probar la fuente de luz
Los investigadores diseñaron la nueva fuente de luz en el chip utilizando simulaciones electromagnéticas detalladas. Luego hicieron el dispositivo y lo usaron para convertir la luz de entrada de 900 nanómetros en bandas de 700 nanómetros de longitud de onda (visible) y 1300 nanómetros de longitud de onda (telecomunicaciones). El OPO logró esto usando menos del 2 por ciento de la potencia del láser de la bomba requerida por los OPO de microresonador previamente desarrollados para generar colores de salida ampliamente separados. En los casos anteriores, ambos colores generados estaban en el infrarrojo. Con algunos cambios simples en las dimensiones de microrred, el OPO también produjo luz en las bandas de telecomunicaciones visibles de 780 nm y 1500 nanómetros.
Los investigadores dicen que el nuevo OPO podría usarse para hacer un sistema completo combinando un láser de diodo infrarrojo cercano comercial de bajo costo con un chip OPO que también integra componentes como filtros, detectores y una sección de espectroscopía. Continúan buscando formas de aumentar la potencia de salida generada por el OPO.
«Este trabajo demuestra que la nanofotónica no lineal está alcanzando un nivel de madurez en el que podemos crear un diseño que conecte longitudes de onda ampliamente separadas y luego lograr suficiente control de fabricación para realizar ese diseño y el rendimiento previsto, en la práctica», dijo Srinivasan. «En el futuro, debería ser posible generar una amplia gama de longitudes de onda deseadas utilizando un pequeño número de láseres de chip compactos combinados con nanofotónica no lineal flexible y versátil».
Documento : X. Lu, G. Moille, A. Singh, Q. Li, DA Westly, A. Rao, S.-P. Yu, TC Briles, SB Papp, K. Srinivasan, «Oscilación paramétrica óptica de telecomunicaciones visible de umbral de milivatios utilizando nanofotónica de silicio» , Optica , 6, 12, 1535-1541 (2019).
Crédito: Xiyuan Lu, NIST / Universidad de Maryland, inspirado en los «anillos olímpicos».
