Cientistas criam dispositivo óptico de perda ultrabaixa que retém luz em um chip

Um microrressonador é uma estrutura microscópica projetada para confinar a luz em um espaço pequeno. À medida que a luz circula no interior, sua intensidade aumenta. Quando essa intensidade atinge um nível suficiente, os cientistas podem realizar processos ópticos especializados que permitem a detecção e outras funções avançadas.

“Nosso trabalho consiste em usar menos energia óptica com esses ressonadores para usos futuros”, disse Bright Lu, estudante de doutorado do quarto ano em engenharia elétrica e de computação e principal autor do estudo. “Um dia, esses microrressonadores poderão ser adaptados para uma ampla gama de sensores, desde navegação até identificação de produtos químicos.”

A pesquisa foi publicada em Cartas de Física Aplicada.

O design do ressonador de pista reduz a perda de luz

Para obter um desempenho mais forte, a equipe se concentrou em ressonadores de “pista de corrida”, que recebem esse nome devido ao seu formato de loop alongado que lembra uma pista de corrida.

Eles incorporaram as “curvas de Euler” – um tipo de curva suave também encontrada em projetos de estradas e ferrovias. Assim como os veículos não conseguem fazer curvas repentinas em ângulo reto em alta velocidade, a luz não viaja com eficiência em curvas fechadas.

“Essas curvas da pista minimizam a perda por flexão”, disse Won Park, professor Sheppard de Engenharia Elétrica e co-assessor do projeto. “Nossa escolha de design foi uma inovação fundamental deste projeto.”

Ao direcionar a luz através de curvas graduais e cuidadosamente projetadas, os pesquisadores limitaram significativamente a quantidade de luz que escapou. Isso permitiu que os fótons circulassem por mais tempo dentro do ressonador e interagissem mais intensamente.

Lu explicou que a perda excessiva de luz impede que o aparelho atinja as altas intensidades necessárias para um funcionamento ideal.

Nanofabricação de Precisão na COSINC

Os microrressonadores foram fabricados na sala limpa da Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC) usando um novo sistema de litografia por feixe de elétrons.

Essas instalações mantêm condições rigorosamente controladas que são essenciais para a produção de dispositivos confiáveis ​​em escalas extremamente pequenas. Muitos componentes ópticos e fotônicos são menores que a largura de uma folha de papel, portanto, mesmo pequenas partículas de poeira ou pequenas imperfeições superficiais podem interferir na forma como a luz viaja através deles.

“A litografia tradicional usa fótons e é fundamentalmente limitada pelo comprimento de onda da luz”, disse Lu. “No entanto, a litografia por feixe de elétrons não tem essa restrição. Com os elétrons, podemos realizar nossas estruturas com resolução subnanométrica, o que é crítico para nossos microrressonadores.”

Lu descreveu o processo de fabricação como uma das partes mais gratificantes do projeto.

“Salas limpas são simplesmente legais. Você está trabalhando com essas máquinas enormes e precisas e então consegue ver imagens de estruturas que você fez com apenas mícrons de largura. Transformar uma fina película de vidro em um circuito óptico funcional é realmente satisfatório.”

O vidro de calcogeneto permite desempenho com perdas ultrabaixas

Um marco importante para a equipe foi a construção bem-sucedida dos dispositivos usando calcogenetos, uma família de vidros semicondutores especializados.

“Esses calcogenetos são excelentes materiais para fotônica devido à sua alta transparência e não linearidade”, disse Park. “Nosso trabalho representa um dos dispositivos de melhor desempenho usando calcogenetos, senão o melhor.”

Os calcogenetos permitem a passagem de luz intensa com perdas mínimas, o que é essencial para microrressonadores de alto desempenho. Ao mesmo tempo, são materiais desafiadores para processar, exigindo um equilíbrio cuidadoso durante a fabricação.

“Os calcogenetos são materiais difíceis, mas gratificantes, para operar em dispositivos fotônicos não lineares”, disse a professora Juilet Gopinath, que colabora com Park neste projeto há mais de 10 anos. “Nossos resultados mostraram que minimizar a perda por flexão permite dispositivos de perda ultrabaixa comparáveis ​​ao estado da arte em outras plataformas de materiais.”

Testes de Laser e Medições de Ressonância

Após a fabricação, os dispositivos foram avaliados sob a liderança de James Erikson, estudante de doutorado em física especializado em medições baseadas em laser. Ele alinhou com precisão os lasers com guias de onda microscópicos para enviar luz para dentro e para fora dos ressonadores enquanto monitorava seu comportamento interno.

A equipe procurou por “quedas” no sinal de luz transmitido que indicassem ressonância, que ocorre quando os fótons ficam presos e circulam dentro da estrutura. Ao estudar a forma dessas quedas, eles conseguiram determinar propriedades como absorção e efeitos térmicos.

“O indicador mais óbvio da qualidade do dispositivo é o formato das ressonâncias e queremos que sejam profundas e estreitas, como uma agulha perfurando o fundo do sinal”, disse Erikson. “Há muito tempo que perseguimos este tipo de ressonador e, quando vimos as ressonâncias nítidas neste novo dispositivo, sabíamos imediatamente que finalmente tínhamos decifrado o código.”

Erikson observou que compreender a quantidade de luz absorvida em comparação com a quantidade transmitida é fundamental para o desempenho do dispositivo. O aumento da potência do laser pode introduzir aquecimento, que por sua vez pode alterar as propriedades do material ou até mesmo danificar o dispositivo.

“A forma como a maioria dos materiais interage com a luz também muda dependendo da temperatura do material”, disse Erikson. “Assim, à medida que um dispositivo aquece, suas propriedades podem mudar e fazer com que ele funcione de maneira diferente.”

Rumo a microlasers e fotônica quântica

Olhando para o futuro, esses microrressonadores poderiam ser usados ​​para criar microlasers compactos, sensores químicos e biológicos altamente sensíveis e ferramentas para metrologia quântica e redes.

“Muitos componentes fotônicos de lasers, moduladores e detectores estão sendo desenvolvidos e microrressonadores como o nosso ajudarão a unir todas essas peças”, disse Lu. “Eventualmente, o objetivo é construir algo que você possa entregar a um fabricante e criar centenas de milhares deles.”