Um avanço nos chips fotônicos poderia tornar lasers grandes, caros e ultrarrápidos dramaticamente menores, levando a dispositivos portáteis e acessíveis de imagem, diagnóstico e processamento de informações, dizem os pesquisadores.
Usando uma arquitetura de laser negligenciada há décadas, os cientistas conseguiram encaixar um laser ultrarrápido em um minúsculo chip fotônico – um chip que usa luz, em vez de eletricidade, para operações de computador.
Em um novo estudo publicado em 3 de junho na revista Naturezaa equipe demonstrou que um minúsculo laser no chip fotônico pode fornecer 1,05 nanojoules de energia em rajadas de 147 femtossegundos (147 quatrilionésimos de segundo) – rivalizando assim com a produção de lasers ultrarrápidos de nível laboratorial.
Os lasers ultrarrápidos são usados em diversas aplicações, desde fabricação de precisão e cirurgia ocular até imagens biológicas e relógios atômicos, mas os sistemas necessários para alimentá-los tendem a ocupar mesas inteiras em laboratórios ou fábricas. No entanto, a poderosa saída desses pulsos de laser tornou difícil miniaturizá-los em chips fotônicos.
“Por mais de vinte anos, um laser de femtosegundo de alta energia de pulso no chip foi amplamente considerado como o Santo Graal da fotônica integrada,” Tobias Kippenbergum professor de fotônica do Instituto Federal Suíço de Tecnologia (EPFL), disse em um explicação.
“Nosso resultado mostra que isso não só é possível, mas também pode ser alcançado com uma arquitetura surpreendentemente elegante que foi negligenciada pela comunidade fotônica integrada.”
A inovação com visão de futuro vem da retrospectiva
Os chips fotônicos manipulam a luz usando estruturas microscópicas chamadas guias de ondas – geralmente na forma de fibras ópticas ou cavidades gravadas – para transportar informações. Eles não são particularmente novos e podem ser encontrados em comunicação de fibra ópticasensores médicos e lidar sistemas.
Receba as descobertas mais fascinantes do mundo diretamente na sua caixa de entrada.
Mas os chips fotônicos já tiveram dificuldades para lidar com lasers ultrarrápidos e de alta potência. Isso porque eles precisam conter luz para guias de onda extremamente pequenos, fazendo com que a luz interaja fortemente consigo mesma e desestabilize os pulsos de laser.
Para resolver esse problema, os pesquisadores analisaram uma arquitetura de laser chamada Oscilador Mamyshevcriado em 1998 por Pavel V. Mamyshev, físico e engenheiro do Bell Labs.
O laser ultrarrápido baseado em chip da EPFL funciona em uma configuração de teste.
(Crédito da imagem: Zheru Qiu/EPFL)
Este oscilador, que tem recebido pouca atenção no mundo dos chips fotônicos, funciona colocando um guia de ondas não linear entre dois filtros ópticos. Isso permite que um pulso de laser de alta intensidade se expanda para uma gama mais ampla de cores que podem então passar por ambos os filtros, enquanto a luz mais fraca, que pode causar desestabilização do laser, é excluída. Esta técnica significa essencialmente que um pulso de laser de alta intensidade pode ser mantido.
Como o oscilador Mamyshev não requer a fabricação de componentes adicionais em um chip, ele apresenta um design atraente para uso em chips fotônicos. E embora a cavidade do laser necessária para apontar um laser ultrarrápido tenha 42 centímetros de comprimento, ela pode ser dobrada para ocupar a mesma área que uma cabeça de fósforo. Isso não pode ser feito com lasers convencionais à base de fibra, frequentemente usados em chips fotônicos.
Isso leva em conta o tamanho, mas o custo dos sistemas de laser ultrarrápidos é outro desafio. Mas como os chips fotônicos podem ser feitos usando pastilhas de silício da mesma forma que os chips de computador, mais de 1.000 cavidades de laser poderiam ser produzidas em um único lote, disseram os pesquisadores. Como tal, chips fotônicos com capacidades de laser ultrarrápido poderiam ser produzidos em escala, o que por sua vez reduziria os custos de produção e até mesmo expandiria seu uso.
Chips fotônicos capazes de lidar com lasers ultrarrápidos poderão, no futuro, levar a ferramentas portáteis para tarefas como detecção de poluição ou realização de diagnósticos médicos avançados em campo, observaram os pesquisadores no estudo. A tecnologia também abre as portas para relógios atômicos menores que poderiam beneficiar a navegação e as comunicações futuras.
Qiu, Z., Yang, X., Li, X., Hu, J., Liu, Z., Zhang, Y., Ji, X., Sun, J., Lihachev, G., Li, Z., Kentsch, U., & Kippenberg, TJ (2026). Laser de modo bloqueado integrado de alta energia de pulso usando um oscilador Mamyshev. Natureza, 654(8117), 57–63.
