La tecnologia laser è una componente fondamentale in numerosi ambiti della vita moderna, dalla comunicazione alla medicina. Tuttavia, nonostante la sua onnipresenza, i laser a semiconduttore presentano alcune limitazioni che ne hanno finora circoscritto le potenzialità. Un team di ricercatori dell’EPFL, guidato dal Professor Camille Brès e dal ricercatore post-dottorato Marco Clementi, ha sviluppato un dispositivo ibrido che promette di superare questi ostacoli, migliorando significativamente le prestazioni dei laser a semiconduttore e consentendo la generazione di lunghezze d’onda più corte.
Integrazione innovativa per una maggiore coerenza e visibilità
Un passo avanti nella fotonica
Il lavoro pionieristico svolto presso il Laboratorio di Sistemi Fotonici (PHOSL) dell’EPFL, in collaborazione con il Laboratorio di Fotonica e Misure Quantistiche, ha portato allo sviluppo di una sorgente laser su scala di chip che migliora le prestazioni dei laser a semiconduttore. Questo dispositivo ibrido è in grado di emettere luce altamente uniforme e precisa sia nel campo del vicino infrarosso che in quello visibile, colmando una lacuna tecnologica che da tempo rappresentava una sfida per l’industria.
La coerenza al centro dell’innovazione
La coerenza, in questo contesto, si riferisce all’uniformità delle fasi delle onde luminose emesse dal laser. Una coerenza elevata significa che le onde luminose sono sincronizzate, portando a un fascio con un colore o una frequenza molto precisa. Questa proprietà è fondamentale per applicazioni che richiedono precisione e stabilità del fascio laser, come la cronometria e la rilevazione di precisione.
Precisione aumentata e funzionalità migliorate
Un approccio innovativo
L’approccio del team coinvolge l’accoppiamento di laser a semiconduttore disponibili in commercio con un chip di nitruro di silicio. Questo piccolo chip è creato con la tecnologia CMOS standard di settore, efficiente in termini di costi. Grazie alle eccezionali proprietà di bassa perdita del materiale, la luce assorbita o dispersa è minima o nulla. La luce del laser a semiconduttore fluisce attraverso microguide in cavità estremamente piccole, dove il fascio viene intrappolato. Queste cavità, chiamate micro-risonatori ad anello, sono progettate in modo intricato per risuonare a frequenze specifiche, amplificando selettivamente le lunghezze d’onda desiderate e attenuando le altre, ottenendo così una coerenza migliorata nella luce emessa.
La conquista delle lunghezze d’onda visibili
Un altro risultato significativo è la capacità del sistema ibrido di raddoppiare la frequenza della luce proveniente dal laser a semiconduttore commerciale, consentendo un passaggio dallo spettro del vicino infrarosso a quello della luce visibile. La relazione tra frequenza e lunghezza d’onda è inversamente proporzionale, il che significa che se la frequenza raddoppia, la lunghezza d’onda si riduce della metà. Mentre lo spettro del vicino infrarosso è sfruttato per le telecomunicazioni, frequenze più elevate sono essenziali per costruire dispositivi più piccoli ed efficienti dove sono necessarie lunghezze d’onda più corte, come negli orologi atomici e nei dispositivi medici.
Queste lunghezze d’onda più corte si ottengono quando la luce intrappolata nella cavità subisce un processo chiamato poling ottico completo, che induce quella che è nota come non linearità del secondo ordine nel nitruro di silicio. La non linearità, in questo contesto, significa che c’è un cambiamento significativo, un salto di magnitudine, nel comportamento della luce che non è direttamente proporzionale alla sua frequenza, derivante dalla sua interazione con il materiale. Il nitruro di silicio normalmente non incorre in questo specifico effetto non lineare di secondo ordine, e il team ha compiuto un’impresa ingegneristica elegante per indurlo: il sistema sfrutta la capacità della luce, quando risuona all’interno della cavità, di produrre un’onda elettromagnetica che provoca le proprietà non lineari nel materiale.
Aprire la strada alle tecnologie future
“Non stiamo solo migliorando la tecnologia esistente, ma stiamo anche spingendo i confini di ciò che è possibile con i laser a semiconduttore”, afferma Marco Clementi, che ha svolto un ruolo chiave nel progetto. “Colmando il divario tra le lunghezze d’onda delle telecomunicazioni e quelle visibili, stiamo aprendo la porta a nuove applicazioni in campi come l’imaging biomedico e la cronometria di precisione.”
Una delle applicazioni più promettenti di questa tecnologia è nella metrologia, in particolare nello sviluppo di orologi atomici compatti. La storia dei progressi nella navigazione si basa sulla portabilità di orologi precisi, dall’individuazione della longitudine in mare nel XVI secolo fino a garantire la navigazione accurata delle missioni spaziali e ottenere una migliore geolocalizzazione oggi. “Questo significativo progresso getta le basi per le tecnologie future, alcune delle quali sono ancora da concepire”, osserva Clementi.
La profonda comprensione della fotonica e della scienza dei materiali da parte del team potenzialmente porterà a dispositivi più piccoli e leggeri e ridurrà il consumo energetico e i costi di produzione dei laser. La loro capacità di prendere un concetto scientifico fondamentale e tradurlo in un’applicazione pratica utilizzando la fabbricazione standard di settore sottolinea il potenziale di risolvere complesse sfide tecnologiche che possono portare a progressi imprevisti.
