Los láseres espectralmente puros se encuentran en el corazón de las aplicaciones científicas y comerciales de alta gama de precisión, gracias a su capacidad de producir luz de un solo color casi perfecta. La capacidad de un láser para hacerlo se mide en términos de su ancho de línea o coherencia,que es la capacidad de emitir una frecuencia constante durante un cierto período de tiempo antes de que esa frecuencia cambie.
En la práctica, los investigadores hacen todo lo posible para construir láseres altamente coherentes y de frecuencia casi única para sistemas de alta gama como los relojes atómicos. Hoy, sin embargo, debido a que estos láseres son grandes y ocupan bastidores llenos de equipos, están relegadosa aplicaciones basadas en mesas de trabajo en laboratorio
Hay un impulso para mover el rendimiento de los láseres de alta gama a micro chips fotónicos, reduciendo drásticamente el costo y el tamaño al tiempo que hace que la tecnología esté disponible para una amplia gama de aplicaciones que incluyen espectroscopía, navegación, computación cuántica y comunicaciones ópticas.el rendimiento a escala de chip también contribuiría en gran medida a abordar el desafío planteado por la explosión de los requisitos de capacidad de datos de Internet y el aumento resultante en el consumo mundial de energía de los centros de datos y sus interconexiones de fibra óptica.
En el artículo de portada de la edición de enero de 2019 de Fotónica de la naturaleza , investigadores de la Universidad de California en Santa Bárbara y sus colaboradores en Honeywell, Yale y la Universidad del Norte de Arizona, describen un hito importante en esta búsqueda: un láser a escala de chip capaz de emitir luz con un ancho de línea fundamental de menos de 1 Hz, lo suficientemente silenciosopara mover aplicaciones científicas exigentes a la escala de chips. El proyecto fue financiado por la iniciativa OwlG de la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa DARPA.
Para ser impactantes, estos láseres de bajo ancho de línea deben incorporarse en circuitos fotónicos integrados PIC, los equivalentes de microchips de computadora para luz, que pueden fabricarse a escala de oblea en fundiciones comerciales de microchips ".Hasta la fecha, no ha habido un método para hacer un láser silencioso con este nivel de coherencia y ancho de línea estrecho a escala de chip fotónico ", dijo el coautor y líder del equipo, Dan Blumenthal, profesor del Departamento de Electricidad y Computación.Ingeniería en UC Santa Bárbara. La generación actual de láseres a escala de chip es inherentemente ruidosa y tiene un ancho de línea relativamente grande. Se han necesitado nuevas innovaciones que funcionen dentro de la física fundamental asociada con la miniaturización de estos láseres de alta calidad.
Específicamente, DARPA estaba interesado en crear un giroscopio óptico láser a escala de chip. Importante por su capacidad para mantener el conocimiento de la posición sin GPS, los giroscopios ópticos se utilizan para posicionamiento y navegación de precisión, incluso en la mayoría de los aviones comerciales.
El giroscopio óptico láser tiene una sensibilidad de escala de longitud similar a la del detector de ondas gravitacionales, uno de los instrumentos de medición más precisos jamás fabricados. Pero los sistemas actuales que logran esta sensibilidad incorporan voluminosas bobinas de fibra óptica. El objetivo delEl proyecto OwlG consistía en realizar un láser ultra silencioso ancho de línea estrecho en el chip para reemplazar la fibra como elemento sensor de rotación y permitir una mayor integración con otros componentes del giroscopio óptico.
Según Blumenthal, hay dos formas posibles de construir un láser de este tipo. Una es atar un láser a una referencia óptica que debe estar aislada ambientalmente y contenida en el vacío, como se hace hoy con relojes atómicos. La cavidad de referencia másun circuito de retroalimentación electrónica en conjunto actúa como un ancla para silenciar el láser. Sin embargo, tales sistemas son grandes, costosos, consumen energía y son sensibles a las perturbaciones del medio ambiente.
El otro enfoque es hacer un láser de cavidad externa cuya cavidad satisfaga los requisitos físicos fundamentales para un láser de ancho de línea estrecho, incluida la capacidad de retener miles de millones de fotones durante mucho tiempo y soportar niveles de potencia óptica interna muy altos.las cavidades son grandes para contener suficientes fotones, y aunque se han utilizado para lograr un alto rendimiento, su integración en chip con anchos de línea que se acercan a los de los láseres estabilizados por cavidades de referencia ha resultado difícil de alcanzar.
Para superar estas limitaciones, el equipo de investigación aprovechó un fenómeno físico conocido como dispersión estimulada de Brillouin para construir los láseres.
"Nuestro enfoque utiliza este proceso de interacción de materia de luz en el que la luz realmente produce sonido o ondas acústicas dentro de un material", señaló Blumenthal. "Los láseres de Brillouin son bien conocidos por producir luz extremadamente silenciosa. Lo hacen al utilizarfotones de un ruidoso láser de "bomba" para producir ondas acústicas, que, a su vez, actúan como amortiguadores para producir nueva luz de salida silenciosa y de bajo ancho de línea. El proceso Brillouin es altamente efectivo, reduciendo el ancho de línea de un láser de bomba de entrada por un factorde hasta un millón "
El inconveniente es que las configuraciones voluminosas de fibra óptica o los resonadores ópticos en miniatura utilizados tradicionalmente para fabricar láseres Brillouin son sensibles a las condiciones ambientales y difíciles de fabricar utilizando métodos de fundición de chips.
"La clave para hacer nuestro láser Brillouin por debajo de Hz en un chip fotónico integrado fue utilizar una tecnología desarrollada en UC Santa Bárbara: circuitos integrados fotónicos construidos con guías de onda que tienen pérdidas extremadamente bajas, a la par de la fibra óptica".Blumenthal explicó: "Estas guías de ondas de baja pérdida, formadas en una cavidad de anillo láser Brillouin en el chip, tienen todos los ingredientes correctos para el éxito: pueden almacenar una gran cantidad de fotones en el chip, manejar niveles extremadamente altos de potencia óptica en el interiorla cavidad óptica y los fotones de guía a lo largo de la guía de ondas de la misma manera que un riel guía un tren de monorraíl ".
Una combinación de guías de ondas ópticas de baja pérdida y ondas acústicas que decaen rápidamente elimina la necesidad de guiar las ondas acústicas. Esta innovación es clave para el éxito de este enfoque.
Desde que se completó, esta investigación ha llevado a múltiples proyectos nuevos financiados tanto en el grupo de Blumenthal como en los de sus colaboradores.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de California - Santa Bárbara . Original escrito por ??? James Badham. Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cita esta página :