Un risonatore a micro-anello con un enorme potenziale

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Il micro-risonatore è attivato da un laser a semiconduttore. 2023 EPFL/Alain Her
Il micro-risonatore è attivato da un laser a semiconduttore. 2023 EPFL/Alain Herzog - CC-BY-SA 4.0
I ricercatori dell’EPFL hanno sviluppato un dispositivo ibrido che migliora significativamente la tecnologia laser esistente e onnipresente.

Il team del Photonic Systems Laboratory (PHOSL) dell’EPFL ha sviluppato una sorgente laser su scala di chip che migliora le prestazioni dei laser a semiconduttore e consente di generare lunghezze d’onda inferiori. Questo lavoro pionieristico, guidato dal professor Camille Brès e dal ricercatore post-dottorato Marco Clementi della Facoltà di Ingegneria dell’EPFL, rappresenta un progresso significativo nel campo della fotonica, con un impatto anche sulle telecomunicazioni, sulla metrologia e su altre applicazioni di alta precisione.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Light: Science & Applications, rivela come i ricercatori del PHOSL, in collaborazione con il Laboratory of Photonics and Quantum Measurements , siano riusciti a integrare laser a semiconduttore con circuiti fotonici in nitruro di silicio contenenti micro-risonatori. Questa integrazione permette di ottenere un dispositivo ibrido in grado di emettere luce altamente uniforme e precisa nel vicino infrarosso e nello spettro visibile, colmando così un gap tecnologico che da tempo rappresenta una sfida per l’industria.

"I laser a semiconduttore sono onnipresenti nella tecnologia moderna, dagli smartphone alle comunicazioni in fibra ottica. Tuttavia, il loro potenziale è stato limitato dalla mancanza di coerenza e dall’incapacità di generare luce visibile in modo efficiente", spiega il professor Brès. "Il nostro lavoro non solo migliora la coerenza di questi laser, ma sposta anche la loro emissione verso lo spettro visibile, aprendo nuove possibilità di utilizzo".

La coerenza, in questo contesto, si riferisce all’uniformità di fase delle onde luminose emesse dal laser. Un’elevata coerenza significa che le onde luminose sono sincronizzate, dando luogo a un fascio con un colore o una frequenza molto precisi. Questa proprietà è essenziale per le applicazioni in cui l’accuratezza e la stabilità del fascio laser sono fondamentali, come la temporizzazione e il rilevamento di precisione.

Maggiore precisione e migliore funzionalità

L’approccio del team prevede l’accoppiamento di laser a semiconduttore disponibili in commercio con un chip di nitruro di silicio. Questo minuscolo chip viene creato utilizzando la tecnologia CMOS standard ed economica. Grazie alle eccezionali proprietà di bassa perdita del materiale, la luce viene assorbita o sfugge in minima parte. La luce del laser a semiconduttore viaggia attraverso microscopiche guide d’onda in cavità estremamente piccole, dove il raggio viene intrappolato. Queste cavità, chiamate micro-risonatori, sono accuratamente progettate per risuonare a frequenze specifiche, amplificando selettivamente le lunghezze d’onda desiderate e attenuandone altre, con conseguente maggiore coerenza della luce emessa.

L’altro importante risultato del sistema ibrido è la capacità di raddoppiare la frequenza della luce del laser commerciale a stato solido, consentendogli di passare dallo spettro del vicino infrarosso a quello del visibile. La relazione tra frequenza e lunghezza d’onda è inversamente proporzionale, il che significa che se la frequenza viene raddoppiata, la lunghezza d’onda si dimezza. Sebbene lo spettro del vicino infrarosso sia sfruttato per le telecomunicazioni, le frequenze più elevate sono essenziali per costruire dispositivi più piccoli ed efficienti che richiedono lunghezze d’onda più brevi, come gli orologi atomici e i dispositivi medici.

Queste lunghezze d’onda più corte si ottengono quando la luce intrappolata nella cavità subisce un processo chiamato poling all-optical, che induce nel nitruro di silicio la cosiddetta non-linearità di secondo ordine. In questo contesto, non linearità significa che c’è un cambiamento significativo, un salto di grandezza, nel comportamento della luce che non è direttamente proporzionale alla sua frequenza, derivante dalla sua interazione con il materiale. Normalmente, il nitruro di silicio non subisce questo specifico effetto non lineare del secondo ordine, e il team ha compiuto un’elegante impresa di ingegneria per indurlo: il sistema sfrutta la capacità della luce, quando risuona all’interno della cavità, di produrre un’onda elettromagnetica che provoca le proprietà non lineari del materiale.

Una tecnologia abilitante per applicazioni future

"Non stiamo solo migliorando la tecnologia esistente, ma stiamo anche spingendo indietro i confini di ciò che è possibile fare con i laser a semiconduttore", spiega Marco Clementi, che ha svolto un ruolo chiave nel progetto. "Colmando il divario tra le telecomunicazioni e le lunghezze d’onda visibili, stiamo aprendo le porte a nuove applicazioni in campi come l’imaging biomedico e il cronometraggio di precisione".

Una delle applicazioni più promettenti di questa tecnologia è la metrologia, in particolare lo sviluppo di orologi atomici compatti. La storia dei progressi nella navigazione si basa sulla portabilità di orologi precisi, dalla determinazione della longitudine in mare nel XVI secolo alla navigazione di precisione delle missioni spaziali e alla migliore geolocalizzazione di oggi. "Questi importanti progressi gettano le basi per le tecnologie future, alcune delle quali devono ancora essere progettate", sottolinea Marco Clementi.

Grazie alla loro profonda conoscenza della fotonica e della scienza dei materiali, il team ha potuto progettare dispositivi più piccoli e leggeri e ridurre il consumo energetico e i costi di produzione dei laser. La loro capacità di prendere un concetto scientifico fondamentale e di tradurlo in un’applicazione pratica utilizzando la produzione standard dell’industria evidenzia il potenziale di risoluzione di sfide tecnologiche complesse che possono portare a scoperte impreviste.

Riferimenti

Clementi, M., Nitiss, E., Durán-Valdeiglesias, E., Belahsene, S., Liu, J., Kippenberg, T. J., Debrégeas, H., & Brès, C.-S. (2023). Una sorgente di seconda armonica su scala chip tramite poling ottico a iniezione. Light: Science & Applications. https://doi.org/10.1038/s41377’023 -01329-6