Científicos logran miniaturizar un láser ultrarrápido en un chip

Durante décadas, los láseres ultrarrápidos se han consolidado como herramientas esenciales en la óptica moderna. Con pulsos que duran apenas unos cientos de femtosegundos, estos láseres han permitido avances en campos que van desde la fabricación de precisión hasta la cirugía ocular, además de contribuir al desarrollo de los relojes atómicos más precisos del mundo.

A pesar de su relevancia, estos láseres han permanecido como sistemas grandes y costosos, ocupando mesas ópticas enteras. Sin embargo, investigadores liderados por el profesor Tobias J. Kippenberg de la EPFL han logrado un avance significativo al desarrollar el primer láser ultrarrápido integrado que iguala el rendimiento de los láseres tradicionales de femtosegundos. Este dispositivo es capaz de entregar energías de pulso de 1.05 nanojulios y duraciones de pulso tan cortas como 147 femtosegundos, todo desde un chip fotónico.

La innovación detrás del láser

Los chips fotónicos manipulan la luz mediante estructuras microscópicas llamadas guías de onda, grabadas en un wafer. Al igual que los chips electrónicos dirigen señales eléctricas, los chips fotónicos guían y procesan la luz. Estos chips ya se utilizan ampliamente en telecomunicaciones y han contribuido a miniaturizar muchas tecnologías ópticas que antes requerían equipos mucho más grandes.

"Durante más de veinte años, un láser de femtosegundos de alta energía en un chip fue considerado como el santo grial de la fotónica integrada", afirmó Kippenberg. "Nuestro resultado demuestra que no solo es posible, sino que se puede lograr con una arquitectura sorprendentemente elegante que la comunidad de fotónica integrada había pasado por alto".

Un diseño de láser innovador

Para llevar a cabo esta hazaña, los investigadores adoptaron una arquitectura de láser conocida como oscilador Mamyshev, un diseño que había recibido relativamente poca atención en la fotónica integrada. Este sistema coloca una guía de onda no lineal entre dos filtros ópticos, cada uno de los cuales transmite una parte diferente del espectro de luz. A medida que un pulso láser intenso viaja a través de la guía de onda, se expande a un rango más amplio de colores. Parte de ese pulso ampliado puede pasar a través de ambos filtros y continuar circulando dentro de la cavidad láser.

La luz más débil se comporta de manera diferente, ya que no se expande lo suficiente y es bloqueada por los filtros, siendo eliminada del ciclo. "Este diseño es especialmente atractivo porque no requiere ningún componente que sea difícil de fabricar en este chip de nitruro de silicio dopado con erbio", explicó Zheru Qiu, coautor del estudio.

Según Qiu, el diseño ofrece otra ventaja importante. Los chips fotónicos confinan la luz en guías de onda extremadamente pequeñas, lo que provoca que la luz interactúe fuertemente consigo misma. En muchas arquitecturas de láser, estos efectos no lineales pueden desestabilizar los pulsos láser. Sin embargo, el oscilador Mamyshev es mucho menos susceptible a estos problemas, lo que lo hace especialmente adecuado para dispositivos fotónicos integrados.

Un dispositivo pequeño con gran potencial

La cavidad láser mide 42 centímetros de longitud, pero puede ser plegada en un chip que ocupa aproximadamente el área de una cabeza de fósforo. Esto lo hace significativamente más pequeño que los láseres ultrarrápidos convencionales basados en fibra. Dado que los chips fotónicos pueden fabricarse a escala de wafer utilizando métodos similares a los empleados para los chips de computadora, es posible producir más de 1,000 cavidades láser simultáneamente. Esta ventaja de fabricación podría reducir significativamente el costo de los láseres ultrarrápidos y ampliar su disponibilidad para aplicaciones de detección, espectroscopía y mediciones de precisión.

"Con potencias pico de nivel kilovatio, el chip puede impulsar aplicaciones exigentes que han dependido durante mucho tiempo de láseres de laboratorio grandes y costosos", afirmó Qiu. Los investigadores creen que esta tecnología podría eventualmente conducir a dispositivos portátiles y asequibles para detectar contaminantes ambientales, identificar defectos ocultos en materiales y realizar diagnósticos médicos. También podría allanar el camino para relojes atómicos ópticos compactos que desempeñen roles importantes en futuros sistemas de comunicación y navegación.

El trabajo involucró a investigadores del Instituto de Ingeniería Eléctrica y Microingeniería de la EPFL y del Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).