Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado el primer láser de alta potencia completamente integrado en un chip de niobato de litio.
El avance allana el camino para sistemas de telecomunicaciones de alta potencia, espectrómetros totalmente integrados, teledetección óptica y conversión de frecuencia eficiente para redes cuánticas, entre otras aplicaciones.
A pesar de todos los avances recientes en circuitos fotónicos integrados de niobato de litio, desde peines de frecuencia hasta convertidores de frecuencia y moduladores, los láseres eran hasta ahora el gran componente frustrantemente difícil de integrar.
Las redes de telecomunicaciones de larga distancia, las interconexiones ópticas de los centros de datos y los sistemas fotónicos de microondas dependen de los láseres para generar una portadora óptica utilizada en la transmisión de datos. En la mayoría de los casos, los láseres son dispositivos independientes, externos a los moduladores, lo que hace que todo el sistema sea más costoso y menos estable y escalable.
«La fotónica de niobato de litio integrada es una plataforma prometedora para el desarrollo de sistemas ópticos a escala de chip de alto rendimiento, pero colocar un láser en un chip de niobato de litio ha demostrado ser uno de los mayores desafíos de diseño», dijo en un comunicado Marko Loncar, Tiantsai Lin Profesor de Ingeniería Eléctrica y Física Aplicada en SEAS y autor principal del estudio.
«En esta investigación, utilizamos todos los trucos y técnicas de nanofabricación aprendidos de desarrollos anteriores en fotónica integrada de niobato de litio para superar esos desafíos y lograr el objetivo de integrar un láser de alta potencia en una plataforma de niobato de litio de película delgada».
La investigación, desarrollada en colaboración con socios de la industria de Freedom Photonics y HyperLight Corporation, se publica en la revista Óptica.
Loncar y su equipo utilizaron láseres de retroalimentación distribuidos pequeños pero potentes para su chip integrado. En el chip, los láseres se asientan en pequeños pozos o trincheras grabadas en el niobato de litio y entregan hasta 60 milivatios de potencia óptica en las guías de ondas fabricadas en la misma plataforma. Los investigadores combinaron el láser con un modulador electroóptico de 50 gigahercios en niobato de litio para construir un transmisor de alta potencia.
«La integración de láseres plug-and-play (conexión sin configuración) de alto rendimiento reduciría significativamente el costo, la complejidad y el consumo de energía de los futuros sistemas de comunicación», dijo Amir Hassan Shams-Ansari, estudiante graduado de SEAS y primer autor del estudio. «Es un bloque de construcción que se puede integrar en sistemas ópticos más grandes para una variedad de aplicaciones, en detección, lidar y telecomunicaciones de datos».
Al combinar dispositivos de niobato de litio de película delgada con láseres de alta potencia utilizando un proceso amigable con la industria, esta investigación representa un paso clave hacia conjuntos de transmisores y redes ópticas a gran escala, de bajo costo y de alto rendimiento. A continuación, el equipo tiene como objetivo aumentar la potencia y la escalabilidad del láser para aún más aplicaciones.
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