Los investigadores han desarrollado un nuevo método para fabricar láseres compactos de modo bloqueado en chips fotónicos, utilizando niobato de litio para el bloqueo de modo activo. Esta tecnología promete llevar los experimentos con láser ultrarrápidos a gran escala a un formato a escala de chip, con planes para acortar aún más la duración de los pulsos y aumentar las potencias máximas.
Los láseres se han vuelto relativamente comunes en la vida cotidiana, pero tienen muchos usos además de proporcionar espectáculos de luces en fiestas rave y escanear códigos de barras en los alimentos. Los láseres también son importantes en los campos de las telecomunicaciones, la informática y la investigación biológica, química y física.
En esta última aplicación, son particularmente útiles los láseres capaces de emitir pulsos ultracortos de una billonésima de segundo (1 picosegundo) o menos. Usando láseres que operan en escalas de tiempo tan pequeñas, los investigadores pueden estudiar fenómenos físicos y químicos que ocurren extremadamente rápido, por ejemplo, la formación o ruptura de enlaces moleculares durante reacciones químicas, o el movimiento de electrones dentro de los materiales. Estos pulsos ultracortos también se utilizan ampliamente en aplicaciones de imágenes porque tienen una intensidad máxima extremadamente alta pero una potencia promedio baja, evitando así el calentamiento o incluso la quema de muestras como el tejido biológico.
En un artículo publicado en Science, Alireza Marandi, profesor asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada en Caltech, describe un nuevo método desarrollado por su laboratorio para fabricar láseres de este tipo, llamados láseres de modo bloqueado, en chips fotónicos. Los láseres se construyen utilizando componentes a nanoescala (un nanómetro es una milmillonésima parte de un metro) y pueden integrarse en circuitos basados en luz, similares a los circuitos integrados basados en electricidad que se encuentran en la electrónica moderna.
"Estamos interesados en algo más que hacer que los láseres de modo bloqueado sean más compactos", dijo Marandi. "Estamos entusiasmados de crear un láser de modo bloqueado de buen rendimiento en un chip nanofotónico y combinarlo con otros componentes. En ese punto, seremos capaces de construir un sistema fotónico ultrarrápido completo en un circuito integrado. Esto llevará la riqueza de la ciencia y la tecnología ultrarrápidas que actualmente pertenecen a los experimentos a escala métrica a chips de escala milimétrica".
Láseres ultrarrápidos y reconocimiento del Premio Nobel
Estos láseres ultrarrápidos son tan importantes para la investigación que el Premio Nobel de Física de este año fue otorgado a tres científicos por desarrollar láseres que pueden generar pulsos de attosegundos (un attosegundo es un quinto de segundo). Sin embargo, estos láseres son actualmente extremadamente caros y voluminosos, y Marandi señaló que su investigación está explorando formas de lograr escalas de tiempo en chips que pueden ser mucho más baratos y más pequeños, con el objetivo de desarrollar tecnologías fotónicas ultrarrápidas asequibles y desplegables.
"Estos experimentos de attosegundos casi siempre se realizan con láseres ultrarrápidos de modo bloqueado", dijo. "Algunos de estos experimentos pueden costar hasta 10 millones de dólares, y una gran parte de eso es el costo del láser de modo bloqueado. Estamos entusiasmados de pensar en cómo replicar estos experimentos y capacidades en nanofotónica".
En el corazón del láser nanofotónico de modo bloqueado desarrollado en el laboratorio de Marandi se encuentra el niobato de litio, una sal sintética con propiedades ópticas y eléctricas únicas que permiten controlar y moldear el pulso del láser mediante la aplicación de señales eléctricas de radiofrecuencia externas. Este enfoque se denomina bloqueo de modo activo de modulación de fase intracavidad.
"Hace unos 50 años, los investigadores utilizaron la modulación de fase intracavitaria para crear láseres de modo bloqueado en experimentos de escritorio y creían que este método no era muy adecuado en comparación con otras tecnologías", dijo Guo Qiushi, primer autor del artículo y ex postdoctorado en el laboratorio de Marandi. "Pero descubrimos que encajaba perfectamente con nuestra plataforma de integración".
"Además de ser pequeño, nuestro láser exhibe una variedad de propiedades fascinantes. Por ejemplo, podemos ajustar con precisión la tasa de repetición de los pulsos de salida en un amplio rango. Podemos aprovechar esto para desarrollar fuentes de peine de frecuencia estables a escala de chip, que son fundamentales para la metrología de frecuencia y la detección de precisión", añadió Guo, ahora profesor asistente en el Centro de Investigación Científica Avanzada de la Universidad de la Ciudad de Nueva York.
Objetivos futuros e implicaciones de la investigación.
Marandi dijo que su objetivo es seguir mejorando la tecnología para que pueda operar en escalas de tiempo más cortas y a potencias máximas más altas, con el objetivo de alcanzar los 50 femtosegundos (un femtosegundo es una billonésima de segundo), lo que supondría una mejora de 100 veces respecto a su dispositivo actual, que produce pulsos con una longitud de 4,8 picosegundos.
El artículo que presenta la investigación, titulado "Láseres bloqueados en modo ultrarrápido en niobato de litio nanofotónico", se publicó en la edición del 9 de noviembre de Science.