Um primeiro

May 29, 2023

Um isolador óptico desenvolvido na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas (SEAS) de Harvard John A. Paulson poderia melhorar drasticamente os sistemas ópticos para muitas aplicações práticas.

Todos os sistemas ópticos – utilizados para telecomunicações, microscopia, imagem, fotónica quântica e muito mais – dependem de um laser para gerar fotões e feixes de luz. Para evitar danos e instabilidade nesses lasers, esses sistemas também exigem isoladores, componentes que evitam que a luz viaje em direções indesejadas. Os isoladores também ajudam a reduzir o ruído do sinal, evitando que a luz salte sem restrições. Mas os isoladores convencionais têm um tamanho relativamente volumoso e exigem a união de mais de um tipo de material, criando um obstáculo para alcançar um melhor desempenho.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo engenheiro elétrico Marko Lončar, do SEAS, desenvolveu um método para construir um isolador integrado altamente eficiente que é perfeitamente incorporado a um chip óptico feito de niobato de lítio. Suas descobertas são relatadas na Nature Photonics.

Micrografia óptica do chip isolador eletro-óptico em niobato de lítio de película fina, composto por quatro dispositivos com comprimentos de modulação variados. (Crédito: Loncar Lab/Harvard SEAS)

“Construímos um dispositivo que permite que a luz emitida pelo laser se propague inalterada, enquanto a luz refletida que viaja de volta em direção ao laser muda de cor e é redirecionada para longe do laser”, disse Lončar, professor de engenharia elétrica da Tiantsai Lin no SEAS. . “Isso é conseguido enviando sinais elétricos na direção dos sinais ópticos refletidos, aproveitando assim as excelentes propriedades eletro-ópticas do niobato de lítio”, no qual a tensão pode ser aplicada para alterar as propriedades dos sinais ópticos, incluindo velocidade e cor .

“Queríamos criar um ambiente mais seguro para a operação de um laser e, ao projetar esta rua de mão única para a luz, podemos proteger o dispositivo do reflexo do laser”, disse Mengjie Yu, coautor do artigo e pesquisador. ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lončar. “Até onde sabemos, quando comparado a todas as outras demonstrações de isoladores integrados, este dispositivo realiza o melhor isolamento óptico do mundo. Além do isolamento, oferece o desempenho mais competitivo em todas as métricas, incluindo perda, eficiência energética e ajuste.”

“O que há de excepcional neste dispositivo é que em sua essência ele é incrivelmente simples – na verdade, é apenas um único modulador”, diz Rebecca Cheng, coautora do artigo e atual Ph.D. estudante no laboratório de Lončar. “Todas as tentativas anteriores de projetar algo assim exigiram vários ressonadores e moduladores. A razão pela qual podemos fazer isso com um desempenho tão notável é por causa das propriedades do niobato de lítio.”

Outra razão para o alto desempenho e eficiência tem a ver com o tamanho do dispositivo – a equipe o construiu no Harvard Center for Nanoscale Systems, fabricando um chip medindo 600 nanômetros de espessura com gravuras (para guiar a luz usando nanoestruturas prescritas) até 320 nanômetros de profundidade.

“Com um dispositivo menor, você pode controlar a luz com mais facilidade e também colocá-la mais próxima dos sinais elétricos, conseguindo assim um campo elétrico mais forte com a mesma voltagem”, permitindo um controle mais poderoso da luz, disse Yu.

As dimensões reduzidas e a propriedade de perda ultrabaixa desta plataforma também aumentam a potência óptica.

“Como a luz não precisa viajar tão longe, há menos deterioração e perda de energia”, disse Cheng.

Finalmente, as equipes mostram que o dispositivo pode proteger com sucesso um laser no chip contra reflexão externa.

“Somos a primeira equipe a mostrar a operação estável de fase do laser sob a proteção de nosso isolador óptico”, disse Yu.

Ao todo, o avanço representa um salto significativo para chips ópticos práticos e de alto desempenho. A equipe relata que ele pode ser usado com uma variedade de comprimentos de onda de laser, exigindo apenas um sinal elétrico de contrapropagação para obter os efeitos desejados.