EPFL riduce un laser blu ultra-veloce su un chip fotonico

Risonatori microscopici al posto dell'ottica da banco

I sistemi di comunicazione e rilevamento ottico di precisione si basano tipicamente su ingombranti apparecchiature da laboratorio per mantenere stabile la luce. Trasferire queste prestazioni su circuiti microscopici è difficile perché le corte lunghezze d'onda blu si disperdono facilmente quando incontrano minuscoli difetti di fabbricazione. Per superare questo limite, i ricercatori dell'EPFL in Svizzera hanno abbinato un diodo laser blu standard a un chip fotonico personalizzato, come riportato da Interesting Engineering.

Il chip guida la luce attraverso una struttura ottica progettata con uno spessore di appena 25 nanometri per limitare le perdite per dispersione. Al centro si trova un risonatore microscopico a forma di anello. L'anello funge da filtro ottico: seleziona una frequenza precisa e rinvia parte della luce nel laser per bloccare il fascio. Per garantire un controllo rapido, il team ha aggiunto elementi in nitruro di alluminio che si flettono quando viene applicata una tensione elettrica, modificando il percorso della luce attorno all'anello.

Sintonizzazione di frequenza su 900 megahertz

Il prototipo funzionante emette luce a una lunghezza d'onda di circa 461 nanometri. A regime, il dispositivo mantiene una larghezza di riga inferiore a 30 kilohertz, il che garantisce un'elevata stabilità spettrale rispetto al rumore di fondo.

Quando i segnali elettrici vengono inviati ai componenti in nitruro di alluminio, il chip cambia modalità di funzionamento. Il sistema può spazzare la frequenza su oltre 900 megahertz e ripetere queste regolazioni fino a un milione di volte al secondo. Questa modulazione rapida consente agli operatori di codificare flussi di dati in variazioni di frequenza senza compromettere la qualità del fascio, secondo i dettagli dello studio pubblicati su Nature Photonics.

Trasmettere immagini attraverso l'acqua e rilevare fumo nell'aria

La luce blu penetra nell'acqua molto più in profondità dei fasci infrarossi e si riflette più facilmente sulle particelle microscopiche sospese nell'aria. Il team dell'EPFL ha verificato queste proprietà in due esperimenti di laboratorio distinti, descritti da Interesting Engineering.

Nel primo test, i ricercatori hanno convertito un'immagine digitale del logo dell'EPFL in variazioni di frequenza del laser e l'hanno trasmessa attraverso una colonna d'acqua di 30 centimetri. Un rilevatore dall'altra parte ha captato la luce e ricostruito l'immagine senza errori. In un secondo test, il team ha diretto il fascio blu verso il fumo di una candela nell'aria ambiente. La luce blu ha registrato un segnale chiaro dalle particelle sospese, mentre un tradizionale laser per comunicazioni ottiche operante a 1.550 nanometri non ha mostrato alcuna risposta misurabile nelle stesse condizioni.

I prossimi passi per l'impiego sul campo

Il team di ricerca ha osservato che le prove sul fumo hanno dimostrato la sensibilità alle particelle senza fornire misurazioni quantitative della concentrazione, lasciando il monitoraggio calibrato dell'inquinamento come ambito di ulteriore sviluppo. Oltre ai canali di comunicazione subacquea, i ricercatori si aspettano che questo hardware compatto possa essere impiegato in monitor ambientali portatili, orologi atomici ottici e apparecchiature per il calcolo quantistico, tutti settori che richiedono sorgenti stabili a lunghezza d'onda corta costruite senza rack di laboratorio a scala di stanza.

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