Inovação revolucionária coloca laser visível dentro dos chips

Redação do Site Inovação Tecnológica - 09/01/2023

Ilustração da plataforma de laser integrada, onde um único chip gera luz visível ajustável cobrindo todas as cores, cada uma muito pura.
[Imagem: Myles Marshall/Columbia Engineering]

Laser visível miniaturizado

Há 50 anos, a eletrônica passou de uma plataforma baseada em enormes válvulas, que esquentavam como lâmpadas incandescentes, para os transistores de estado sólido, que continuam sendo miniaturizados até hoje.

Agora é a vez da fotônica - que troca a eletricidade pela luz - passar pelo mesmo processo, com os grandes componentes, espelhos e lentes que manipulam a luz sendo substituídos por componentes integrados em escala de chip.

Mas essa migração para a computação baseada na luz - muito mais rápida e energeticamente mais eficiente - tem sido muito mais lenta pela dificuldade de miniaturização de um componente crucial nessa tecnologia: As lâmpadas.

Mais especificamente, emissores de laser de estado sólido ultraminiaturizados, na faixa dos nanômetros.

Embora algum progresso tenha sido feito em lasers de infravermelho próximo, os lasers de luz visível que atualmente alimentam os chips fotônicos ainda são grandes e caros. Como a luz visível é essencial para uma ampla gama de aplicações, incluindo óptica quântica, telas e aparelhos de imagem médica, há uma necessidade de lasers na escala de chip que sejam ajustáveis, emitindo luz de cores diferentes, para carrear diferentes informações.

É exatamente aqui que a equipe da professora Michal Lipson, da Universidade de Colúmbia, nos EUA, acaba de fazer um progresso marcante.

Além da arquitetura da própria fonte de luz, o projeto do chip também é essencial para a integração da tecnologia.
[Imagem: Mateus Corato-Zanarella et al. - 10.1038/s41566-022-01120-w]

Laser visível miniaturizado

Lipson e seus alunos criaram lasers emissores de luz visível com cores muito puras, cobrindo do ultravioleta próximo ao infravermelho próximo, que cabem na ponta de um dedo.

As cores dos lasers podem ser ajustadas com precisão e de forma extremamente rápida, até 267 petahertz (10¹⁵ Hz) por segundo, o que é crítico para aplicações como a óptica quântica.

Esta é a primeira demonstração prática de lasers ajustáveis em escala de chip para cores de luz precisas (linhas de banda estreitas) abaixo do vermelho, incluindo verde, ciano, azul e violeta. Esses lasers baratos também ocupam o menor espaço e o comprimento de onda mais curto (404 nm) de qualquer laser integrado de emissão de luz visível desse tipo.

A importância de lasers que emitam comprimentos de onda mais curtos do que o vermelho fica clara quando você considera algumas aplicações importantes. As telas, por exemplo, requerem luz vermelha, verde e azul simultaneamente para compor qualquer cor. Na óptica quântica, os lasers verde, azul e violeta são usados para capturar e resfriar átomos e íons. No Lidar, ou radares de luz subaquáticos, é necessária luz verde ou azul para evitar a absorção do sinal pela água.

No entanto, em comprimentos de onda menores que o vermelho, as perdas de acoplamento e propagação dos circuitos integrados fotônicos aumentam significativamente, o que vinha impedindo a criação de lasers de alto desempenho nessas cores. A equipe resolveu isto usando uma arquitetura diferenciada para seus componentes emissores de luz, chamados diodos Fabry-Perot, que minimizam o impacto das perdas no desempenho dos lasers em escala de chip e ainda puderam ser combinados com um desenho especial do próprio chip, que permite o ajuste da cor da luz emitida.

"O que é empolgante neste trabalho é que usamos o poder da fotônica integrada para quebrar o paradigma existente de que lasers visíveis de alto desempenho precisam ser de bancada e custar dezenas de milhares de dólares," disse o pesquisador Mateus Zanarella. "Até agora, vinha sido impossível encolher e implantar tecnologias de escala industrial que requerem lasers visíveis sintonizáveis e de largura de linha estreita. Um exemplo notável é a óptica quântica, que exige lasers de alto desempenho de várias cores em um único sistema. Esperamos que nossas descobertas viabilizem sistemas de luz visível totalmente integrados para tecnologias novas e existentes."

Primeiros protótipos, que terão ampla aplicação quando passados para a escala industrial.
[Imagem: Mateus Corato-Zanarella et al. - 10.1038/s41566-022-01120-w]

Tecnologias que serão impactadas

Destacando a importância deste avanço, a equipe listou uma série de aplicações que podem ser "revolucionadas" por estes novos lasers miniaturizados.

Informação quântica - A maioria dos qubits para computação quântica usa átomos ou íons que são presos e controlados usando luz visível. A luz deve ser muito pura (largura de linha estreita) e ter comprimentos de onda muito específicos para lidar com as transições atômicas, que marcam a mudança dos dados armazenados no qubit. Hoje, os lasers disponíveis para essas aplicações são caros e de bancada. Eles agora poderão ser substituídos por chips minúsculos e baratos, o que permitirá que os sistemas quânticos sejam miniaturizados e eventualmente se tornem parte de tecnologias acessíveis ao público em geral.

Relógios Atômicos - Os relógios mais precisos do mundo são baseados em átomos de estrôncio, que precisam ser presos e controlados por lasers de muitas cores diferentes ao mesmo tempo. Da mesma forma que os sistemas de óptica quântica, o grande tamanho dos lasers atualmente disponíveis limita essa tecnologia a laboratórios de pesquisa. Os lasers em escala de chip permitirão encolher esses sistemas, viabilizando a construção de relógios atômicos portáteis.

Biossensoriamento - Várias sondas neurais usam uma tecnologia chamada optogenética para medir, modificar e compreender a resposta neural. Nessa tecnologia, os neurônios são geneticamente modificados para produzir um tipo de proteína chamada opsina, sensível à luz visível. Ao incidir luz visível, geralmente azul, nessas células, os cientistas podem ativar neurônios específicos à vontade. Da mesma forma, no imageamento fluorescente, os fluoróforos precisam ser excitados com luz visível para gerar as imagens desejadas. Esses lasers compactos de alto desempenho abrem as portas para a miniaturização desses sistemas.

Lidar - A varredura subaquática depende de luz azul ou verde porque a água do oceano absorve fortemente a luz de todas as outras cores. Além disso, para a técnica mais comum, chamada Lidar de onda contínua modulada por frequência, o laser precisa ser rapidamente ajustado para detectar com precisão a distância e a velocidade dos objetos. Os novos lasers poderão ser usados para sistemas portáteis de alcance subaquático que empreguem essa tecnologia.

Li-Fi - À medida que aumenta a demanda por largura de banda nos sistemas de comunicação, as redes ficam saturadas. O Li-Fi, ou comunicação por luz visível, é uma tecnologia em rápido crescimento que promete complementar os links de micro-ondas tradicionais na ponta do usuário, para superar esse gargalo. As altas velocidades de modulação dos novos lasers são ideais para permitir links de comunicação óptica sem fio extremamente rápidos.

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