Laser em chip ultrarrápido rivaliza com lasers de fibra

Os lasers integrados em chips existem há anos, mas os físicos dedicados à ciência de precisão têm-nos, em grande medida, posto de lado. Os impulsos que geram são demasiado fracos para as aplicações mais exigentes - por uma margem tão grande que a distância parecia impossível de eliminar.

Uma equipa de uma universidade suíça acaba de ultrapassar esse obstáculo. O chip que desenvolveu emite impulsos suficientemente potentes para alcançar algo nunca antes conseguido por um laser em chip, recorrendo a uma arquitectura retirada de uma classe de máquinas inteiramente diferente.

Lasers que ocupam salas inteiras

Os clarões produzidos por estas máquinas são quase inconcebivelmente breves e duram quadrilionésimos de segundo. Esta rapidez permite congelar reacções químicas a meio de uma etapa e medir o tempo com uma precisão extraordinária. Estas ferramentas, conhecidas como lasers ultrarrápidos, transformaram a ciência ao longo de décadas.

Há anos que os investigadores procuram levar essa capacidade para chips fotónicos - circuitos miniaturizados que conduzem luz em vez de electricidade.

O novo trabalho foi realizado no laboratório de Tobias J. Kippenberg, físico da Escola Politécnica Federal de Lausana (EPFL), tendo Zheru Qiu como primeiro autor.

Vários grupos já tinham integrado lasers geradores de impulsos em chips, mas os impulsos obtidos eram fracos. Uma técnica particularmente valorizada - alargar uma única cor até formar um amplo arco-íris - exige uma intensidade energética que os chips de baixa potência não conseguiam fornecer.

Os anteriores projectos em chip ficavam muito aquém dos lasers de fibra utilizados em laboratório. Um estudo acompanhado de perto produziu impulsos limpos, mas manteve-se demasiado fraco para tarefas exigentes. Reduzir essa diferença foi o objectivo desta equipa.

Uma técnica dos lasers de fibra

A solução assenta numa arquitectura criada inicialmente para lasers de fibra: o oscilador Mamyshev, assim denominado em homenagem ao engenheiro responsável pela sua ideia central. A luz atravessa dois filtros ajustados para cores ligeiramente diferentes. Só um impulso limpo e intenso sobrevive ao percurso completo.

Em cada passagem, sinais fracos e irregulares são refinados até se converterem num único clarão potente. Quando o circuito funciona continuamente, o laser começa a pulsar por si próprio, sem precisar de um laser-semente separado para o activar.

Para dar mais potência aos impulsos, a equipa fabricou o circuito em nitreto de silício, um material vítreo que guia a luz com poucas perdas. Incorporaram iões de érbio, o elemento de amplificação luminosa utilizado nas redes de Internet por fibra óptica. Integrados no guia de onda, estes iões forneceram a capacidade de amplificação do laser.

O que fornece o laser em chip

Os progressos são evidentes nos números. O chip emite cerca de 176 milhões de impulsos por segundo, cada um com aproximadamente um bilionésimo de joule - um nanojoule. Este valor iguala o dos volumosos lasers de fibra e é cerca de 100 vezes superior ao de lasers em chip anteriores.

Até a este trabalho, nenhum laser baseado em chip tinha aproximado a energia de impulso desse nível. Os impulsos podem ser comprimidos para 147 femtossegundos; um femtossegundo corresponde a um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Impulsos mais curtos tendem a concentrar a energia num pico mais intenso.

A luz também se manteve ordenada. As ondas deslocavam-se em fase, em vez de se afastarem umas das outras - a consistência exigida por um laser de precisão. Um feixe ruidoso tornaria indistintos os sinais que estes instrumentos têm de interpretar.

Um feixe transforma-se em muitos

Com tanta energia em cada impulso, o laser conseguiu finalmente criar o próprio arco-íris. Ao ser enviado através de um canal fino que guia a luz no mesmo chip, o seu feixe estreito alargou-se numa vasta banda luminosa chamada supercontinuum. Com mais de uma oitava de largura, as suas frequências mais elevadas excedem o dobro das mais baixas.

O aspecto mais marcante é que o chip não precisou de reforço. Outros sistemas só obtêm um supercontinuum depois de encaminharem a luz por amplificadores adicionais instalados na bancada. Neste caso, a saída directa já era suficientemente potente.

Uma luz de banda larga deste tipo alimenta réguas precisas de tempo e frequência, bem como técnicas de imagiologia capazes de observar o interior de tecido vivo. Produzi-la directamente num chip, sem qualquer componente acrescentado depois, representa o avanço que os dispositivos anteriores não tinham conseguido atingir.

Observar com terahertz

Para demonstrar o que isso permite, a equipa ligou o chip a um scanner de terahertz. As ondas terahertz situam-se entre as micro-ondas e o infravermelho, atravessando papel e plástico, mas reflectindo-se nos materiais que se encontram por baixo. Uma revisão explica como este método identifica a composição química.

Alimentado pelo chip, o scanner abrangeu 5 terahertz de frequências e recolheu sinais ao longo de uma gama de intensidade de mil milhões de vezes. Estes valores rivalizam com equipamentos muito maiores. Um único chip, e não uma estrutura repleta de equipamento.

O grupo utilizou-o para examinar amostras seladas sem as abrir e para detectar defeitos ocultos. Os scanners capazes de o fazer são habitualmente pesados e ficam limitados a laboratórios especializados. Uma versão alimentada por chip poderia acompanhar uma linha de produção ou ser colocada num carrinho médico.

Para lá do laboratório

O que este estudo demonstra é simples: um laser construído num chip consegue agora fornecer impulsos com potência suficiente para realizar as exigentes técnicas de luz que antes requeriam máquinas de bancada. Nenhum dispositivo integrado anterior tinha atingido esse patamar.

Isto abre caminho a instrumentos que deixam a bancada de laboratório para trás. Sensores químicos portáteis e scanners preparados para uso no terreno tornam-se realistas quando a fonte de luz é reduzida a um chip. O esforço para colocar outros lasers clássicos de laboratório em pastilhas segue a mesma direcção, como mostra um artigo recente.

A versão apresentada continua a funcionar num laboratório e depende de uma bomba separada. Mas a parte mais difícil está agora resolvida: extrair energia suficiente de um impulso à escala de chip, a barreira que travava esta área. O laser ultrarrápido do tamanho de uma sala passou a ter um rival do tamanho de uma unha.