La EPFL miniaturiza un láser azul ultrarrápido en un chip fotónico

Resonadores microscópicos sustituyen a la óptica de laboratorio

Los sistemas precisos de comunicación y sensórica ópticas suelen depender de un voluminoso equipamiento de laboratorio para mantener estable la luz. Trasladar ese rendimiento a circuitos microscópicos es difícil porque las longitudes de onda cortas del azul se dispersan con facilidad al chocar con diminutos defectos de fabricación. Para superar esta limitación, los investigadores de la EPFL en Suiza combinaron un diodo láser azul estándar con un chip fotónico a medida, según informa Interesting Engineering.

El chip guía la luz a través de una estructura óptica diseñada con un grosor de solo 25 nanómetros para limitar las pérdidas por dispersión. En su núcleo se encuentra un resonador microscópico en forma de anillo. El anillo actúa como filtro óptico: selecciona una frecuencia precisa y redirige parte de la luz de vuelta al láser para fijar el haz. Para proporcionar un control rápido, el equipo añadió elementos de nitruro de aluminio que se flexionan al aplicar una tensión eléctrica, modificando cómo se desplaza la luz alrededor del anillo.

Sintonización de frecuencia en 900 megahercios

El prototipo operativo emite luz a una longitud de onda de aproximadamente 461 nanómetros. En su estado estable, el dispositivo mantiene un ancho de línea inferior a 30 kilohercios, lo que garantiza una alta estabilidad espectral frente al ruido de fondo.

Cuando se aplican señales eléctricas a los componentes de nitruro de aluminio, el chip cambia de modo de funcionamiento. El sistema puede barrer su frecuencia en más de 900 megahercios y repetir esos ajustes hasta un millón de veces por segundo. Esta modulación rápida permite a los operadores codificar flujos de datos en desplazamientos de frecuencia sin alterar la calidad del haz, según los detalles del estudio publicados en Nature Photonics.

Transmitir imágenes a través del agua y detectar humo en el aire

La luz azul penetra en el agua mucho más que los haces infrarrojos y se refleja con más facilidad en las partículas microscópicas suspendidas en el aire. El equipo de la EPFL verificó estas propiedades en dos experimentos de laboratorio independientes detallados por Interesting Engineering.

En el primer ensayo, los investigadores convirtieron una imagen digital del logotipo de la EPFL en variaciones de frecuencia del láser y la transmitieron a través de una columna de agua de 30 centímetros. Un detector al otro lado captó la luz y reconstruyó la imagen sin errores. En una segunda prueba, el equipo dirigió el haz azul al humo de una vela en aire ambiente. La luz azul registró una señal clara de las partículas suspendidas, mientras que un láser tradicional de comunicaciones ópticas que opera a 1.550 nanómetros no mostró respuesta medible en las mismas condiciones.

Lo que viene para el despliegue sobre el terreno

El equipo de investigación señaló que sus pruebas con humo demostraron sensibilidad a las partículas sin proporcionar mediciones cuantitativas de concentración, por lo que la monitorización calibrada de la contaminación queda como área de desarrollo futuro. Más allá de los canales de comunicación subacuáticos, los investigadores esperan que este hardware compacto sirva en monitores ambientales portátiles, relojes atómicos ópticos y equipos para la computación cuántica, todos los cuales requieren fuentes estables de longitud de onda corta construidas sin bastidores de laboratorio a escala de sala.

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