Pesquisadores da Universidade de Rochester criaram um microcomb laser em escala de chip com um design inovador que permite aos usuários controlar o pente de frequência óptica simplesmente ligando uma fonte de energia. Crédito: Foto da Universidade de Rochester / J. Adam Fenster
Lasers criados na Universidade de Rochester abrem caminho para novos geradores combinados de frequência no chip.
Pentes de frequência óptica, dispositivos essenciais para medir a luz, transformaram campos como metrologia, espectroscopia e desenvolvimento de relógios atômicos. No entanto, a dificuldade em produzir geradores de pente de frequência em escala de microchip restringiu sua integração em tecnologias comuns, como a eletrônica portátil.
Em um estudo publicado em Comunicações da Naturezapesquisadores da Universidade de Rochester descrevem novos lasers microcomb que desenvolveram que superam as limitações anteriores e apresentam um design simples que pode abrir a porta para uma ampla gama de usos.
O que são micropentes?
Os pentes de frequência óptica geram um espectro de luz que consiste em múltiplos feixes coerentes, cada um sintonizado em uma frequência ou cor diferente, em distâncias uniformemente espaçadas. A forma resultante lembra os dentes de um pente de cabelo. Nos últimos anos, os cientistas têm trabalhado para criar versões miniaturizadas desta tecnologia, ou microcombes, que cabem em pequenos chips.
Mas embora os cientistas tenham feito progressos na prototipagem de microcombes, tiveram sucesso limitado na produção de versões viáveis que podem ser aplicadas em dispositivos práticos. Os obstáculos incluem baixa eficiência energética, controlabilidade limitada, respostas mecânicas lentas e a necessidade de pré-configuração sofisticada do sistema.
O estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação, Zhengdong Gao, ajusta um novo dispositivo laser microcomb “tudo em um” criado no laboratório do professor Qiang Lin. Crédito: Foto da Universidade de Rochester / J. Adam Fenster
Uma abordagem simplificada
Uma equipe de pesquisadores liderada por Qiang Lin, professor do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação de Rochester e do Instituto de Óptica, criou uma abordagem única para resolver esses desafios em um único dispositivo.
De acordo com Jingwei Ling, estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação no laboratório de Lin e principal autor do artigo, abordagens anteriores geralmente dependem de um laser de comprimento de onda único injetado em um conversor não linear que pode transferir o comprimento de onda único em comprimentos de onda múltiplos, formando o pente óptico.
“Eliminamos o comprimento de onda único porque isso degradaria a eficiência do sistema”, diz Ling. “Em vez disso, temos todo o pente sendo amplificado em um ciclo de feedback dentro do sistema, para que todos os comprimentos de onda sejam refletidos e aprimorados dentro de um único elemento.”
A simplicidade do laser microcomb “tudo em um” resulta em menores demandas de energia, custos mais baixos, alta capacidade de ajuste e operação pronta para uso.
“É fácil de operar”, diz o coautor Zhengdong Gao, também estudante de doutorado em engenharia elétrica e de computação no laboratório de Lin. “Os métodos anteriores dificultam a excitação do pente, mas com este método, só precisamos ligar a fonte de energia e podemos controlar o pente diretamente.”
Ainda existem obstáculos para a implementação desses lasers microcomb, especialmente com o desenvolvimento de técnicas de fabricação para criar componentes tão minúsculos dentro das tolerâncias necessárias para a fabricação. Mas os investigadores estão esperançosos de que os seus dispositivos possam ser usados para aplicações como sistemas de telecomunicações e detecção e alcance de luz (LiDAR) para veículos autónomos.
Referência: “Laser microcomb com potência elétrica” por Jingwei Ling, Zhengdong Gao, Shixin Xue, Qili Hu, Mingxiao Li, Kaibo Zhang, Usman A. Javid, Raymond Lopez-Rios, Jeremy Staffa e Qiang Lin, 17 de maio de 2024, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-024-48544-2
A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa e a National Science Foundation apoiaram esta pesquisa.
