Un nuovo isolatore laser potrebbe trasformare la fotonica

Utilizzando materiali e processi di produzione ben noti, i ricercatori hanno costruito un isolatore laser efficace, passivo e ultrasottile che apre nuove strade alla ricerca nella fotonica

I laser sono dispositivi di trasformazione, ma una sfida tecnica impedisce loro di esserlo ancora di più. La luce che emettono può riflettersi nel laser stesso e destabilizzarlo o addirittura disattivarlo.

Su scala reale, questa sfida è risolta da dispositivi ingombranti che utilizzano il magnetismo per bloccare i riflessi dannosi. Su chip-scale, tuttavia, dove gli ingegneri sperano che un giorno i laser trasformeranno i circuiti dei computer, gli isolatori efficaci si sono dimostrati sfuggenti.

Gli isolatori ottici in fibra e bulk sono ampiamente utilizzati per stabilizzare le cavità laser prevenendo il feedback indesiderato. Tuttavia, le loro controparti integrate hanno tardato ad essere adottate. Sebbene siano state realizzate diverse strategie per l'isolamento ottico su chip, queste si basano sull'integrazione di materiali magneto-ottici o sulla modulazione ad alta frequenza con modulatori acusto-ottici o elettro-ottici. Questo lavoro dimostra un approccio integrato per isolare passivamente un laser a onda continua utilizzando la non linearità di Kerr intrinsecamente non reciproca nei risonatori ad anello.

In questo contesto, i ricercatori della Stanford University affermano di aver creato un semplice ed efficace chip-scale isolatore che può essere adagiato in uno strato di materiale a base di semiconduttori centinaia di volte più sottile di un foglio di carta.

«L'isolamento su chip-scale è una delle grandi sfide aperte nella fotonica», ha affermato la dottoressa Jelena Vuckovic (1), professoressa di ingegneria elettrica a Stanford e autrice senior dello studio apparso sulla rivista Nature Photonics. (2)

«Ogni laser ha bisogno di un isolatore per impedire ai riflessi di ritorno di entrare e destabilizzare il laser», ha affermato il dottor Alexander White (3), un dottorando nel laboratorio della Vuckovic e co-primo autore dell'articolo, aggiungendo che il dispositivo ha implicazioni per l'informatica quotidiana, ma potrebbe influenzare anche le tecnologie di prossima generazione, come il calcolo quantistico.

Piccolo e passivo

L'isolatore su scala nanometrica è promettente per diversi motivi. Innanzitutto, questo isolatore è “passivo”. Non richiede input esterni, elettronica complicata o magnetismo: sfide tecniche che fino ad oggi hanno ostacolato il progresso nei laser su chip-scale. Questi meccanismi aggiuntivi portano a dispositivi troppo ingombranti per applicazioni di fotonica integrata e possono causare interferenze elettriche che compromettono altri componenti sui chip. Un altro vantaggio è che il nuovo isolatore è anch'esso realizzato con materiale, a base di semiconduttori, comune e ben noto e può essere prodotto utilizzando le tecnologie di lavorazione dei semiconduttori esistenti, facilitando potenzialmente il suo percorso verso la produzione di massa.

Il nuovo chip-scale isolator ha la forma di un anello. È fatto di nitruro di silicio, un materiale basato sul semiconduttore più comunemente usato: il silicio. Il forte raggio laser primario entra nell'anello e i fotoni iniziano a ruotare attorno all'anello in senso orario. Allo stesso tempo, un raggio riflesso all'indietro verrebbe rimandato posteriormente nell'anello nella direzione opposta, ruotando in senso antiorario.

«La potenza del laser che immettiamo circola molte volte e questo ci permette di accumularci all'interno dell'anello. Questa potenza crescente altera il raggio più debole, mentre quello più forte rimane inalterato», spiega il co-primo autore Geun Ho Ahn (4), dottorando in ingegneria elettrica, del fenomeno che fa smettere di risuonare il raggio più debole. «La luce riflessa, e solo la luce riflessa, viene effettivamente annullata».

Il laser primario quindi esce dall'anello e viene “isolato” nella direzione desiderata.

La dottoressa Vuckovic e il team hanno costruito un prototipo come prova del concetto e sono stati in grado di accoppiare due isolatori ad anello in cascata per ottenere prestazioni migliori.

«I prossimi passi includono il lavoro su isolatori per diverse frequenze di luce», ha detto il coautore Kasper Van Gasse (5), uno studioso post-dottorato nel laboratorio di Vuckovic. «Oltre a una più stretta integrazione dei componenti su chip-scale per esplorare altri usi dell'isolatore e migliorare le prestazioni».

Anche il dottor Ki Youl Yang, un ex ricercatore nel laboratorio di Vuckovic, che è membro del Stanford Bio-X (6), del Stanford PULSE Institute (7) e del Wu Tsai Neurosciences Institute (8), è coautore di questa ricerca.

Questo lavoro è stato finanziato dalla Herb and Jane Dwight Stanford Graduate Fellowship, dalla NTT Research Fellowship, dalla STMicroelectronics Stanford Graduate Fellowship, dalla Kwanjeong Educational Foundation e dalla DARPA.

Riferimenti:

(1) Jelena Vuckovic

(2) Integrated passive nonlinear optical isolators

(3) Alexander White

(4) Geun Ho Ahn

(5) Kasper Van Gasse

(6) Stanford Bio-X

(7) Stanford PULSE Institute

(8) Wu Tsai Neurosciences Institute

Descrizione foto: Primo piano dell'isolatore a scala di chip. - Credit: Hannah Kleidermacher.

Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: New chip-scale laser isolator could transform photonics