Microrisonatori di guida d'onda ottica su un chip creato in questo sforzo, che sono dieci volte più sottili dei capelli umani.
I nuovi micro‑risonatori ottici, basati su curve di Eulero e calcogenuri avanzati, riducono drasticamente le perdite luminose, abilitando sensori ultra‑sensibili e tecnologie fotoniche di nuova generazione
La luce diventa microscopica: sviluppati sensori ottici ad altissima efficienza.
I ricercatori dell'University of Colorado Boulder hanno costruito micro‑risonatori ottici ad alte prestazioni, aprendo la strada a nuove tecnologie di sensori.
Nella sua forma più semplice, un micro‑risonatore è un minuscolo dispositivo in grado di intrappolare la luce e aumentarne l’intensità. Una volta che l’intensità è sufficientemente elevata, i ricercatori possono eseguire operazioni ottiche uniche.
«Il nostro lavoro riguarda l’utilizzo di una minore potenza ottica con questi risonatori per applicazioni future», ha dichiarato il dottor Bright Lu, dottorando al quarto anno in ingegneria elettrica e informatica e autore principale dello studio. «Un giorno questi micro‑risonatori potranno essere adattati a un’ampia gamma di sensori, dalla navigazione all’identificazione di sostanze chimiche».
Per questo lavoro, pubblicato su Applied Physics Letters (1), il team si è concentrato sui risonatori “a circuito da corsa”, così chiamati per la loro forma allungata che ricorda una pista di atletica.
In particolare, i ricercatori hanno utilizzato le “curve di Eulero”, un tipo di curva morbida impiegata anche nella progettazione di strade e ferrovie. Proprio come le automobili non possono affrontare curve a gomito mentre sono in movimento, la luce non può essere forzata in pieghe brusche.
«Queste curve a circuito da corsa riducono al minimo la perdita per curvatura», ha dichiarato Won Park, Sheppard Professor of Electrical Engineering e co‑supervisore dello studio. «La nostra scelta progettuale è stata un’innovazione chiave di questo progetto».
Guidando la luce in modo fluido attraverso il risonatore, hanno ridotto drasticamente la perdita luminosa, permettendo ai fotoni di circolare più a lungo e interagire più intensamente all’interno del dispositivo.
Se si perde troppa luce, afferma Lu, non è possibile raggiungere intensità luminose elevate affinché questi micro‑risonatori funzionino con le prestazioni richieste.
Costruiti in Colorado
Incredibilmente piccoli, i micro‑risonatori sono stati realizzati utilizzando il nuovo sistema di litografia a fascio di elettroni della clean room del Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC).
La struttura fornisce un ambiente altamente controllato, necessario per lavorare su scale microscopiche che possono garantire prestazioni affidabili del dispositivo.
Molti dispositivi ottici e fotonici sono più piccoli della larghezza di un foglio di carta, il che significa che anche minuscole particelle di polvere o imperfezioni superficiali possono disturbare il modo in cui la luce attraversa un materiale.
«La litografia tradizionale utilizza fotoni ed è fondamentalmente limitata dalla lunghezza d’onda della luce», ha detto Lu. «Tuttavia, la litografia a fascio di elettroni non ha questo vincolo. Con gli elettroni possiamo realizzare le nostre strutture con una risoluzione sub‑nanometrica, che è fondamentale per i nostri micro‑risonatori».
Per il dottor Lu, il processo di fabbricazione pratico è stato un aspetto gratificante del progetto.
«Le clean room sono semplicemente fantastiche: lavori con queste macchine enormi e precise e poi puoi vedere le immagini di strutture che hai realizzato larghe solo pochi micron. Trasformare un sottile film di vetro in un circuito ottico funzionante è davvero soddisfacente».
Un risultato chiave del lavoro è stata la capacità dei ricercatori di utilizzare i calcogenuri, un termine ampio che comprende una famiglia di vetri semiconduttori specializzati.
«Questi calcogenuri sono materiali eccellenti per la fotonica grazie alla loro elevata trasparenza e non linearità», asserisce il dottor Wounjhang (Won) Park (2). «Il nostro lavoro rappresenta uno dei dispositivi con le migliori prestazioni che utilizzano calcogenuri, se non il migliore».
I calcogenuri sono stati utili perché presentano una forte trasparenza, permettendo alla luce di attraversare il dispositivo alle alte intensità necessarie per i micro‑risonatori.
Tuttavia, questi materiali non sono facili da lavorare per la realizzazione del dispositivo, quindi è necessario trovare un equilibrio.
«I calcogenuri sono materiali difficili, ma gratificanti da utilizzare per dispositivi fotonici non lineari», ha affermato la professoressa Juliet Gopinath (3), che lavora a questo progetto con Park da oltre dieci anni. «I nostri risultati hanno mostrato che ridurre al minimo la perdita per curvatura consente di ottenere dispositivi a perdita ultra‑bassa, paragonabili allo stato dell’arte in altre piattaforme materiali».
Misurare la luce alla scala microscopica
Una volta fabbricati, i micro‑risonatori sono stati consegnati per i test, un lavoro guidato dal dottor James Erikson, dottorando in fisica specializzato in misurazioni basate su laser. Ha allineato con grande precisione i laser ai microscopici guida‑onde, accoppiando la luce dentro e fuori dal dispositivo mentre monitorava il suo comportamento al suo interno.
Hanno cercato dei “cali” nei dati della luce trasmessa che indicano la risonanza quando i fotoni rimangono intrappolati. Analizzando la forma di questi “cali”, sono riusciti a estrarre proprietà come l’assorbimento e gli effetti termici.
«L’indicatore più evidente della qualità del dispositivo è la forma delle risonanze, e vogliamo che siano profonde e strette, come un ago che trafigge il rumore di fondo del segnale», ha detto Erikson. «Abbiamo inseguito questo tipo di risonatore per molto tempo, e quando abbiamo visto le risonanze nette su questo nuovo dispositivo abbiamo capito subito di aver finalmente decifrato il codice».
Erikson ha aggiunto che, per realizzare un buon dispositivo, è necessario sapere quanta luce verrà assorbita rispetto a quanta verrà trasmessa. Gli effetti termici diventano importanti quando si aumenta la potenza del laser, poiché si corre il rischio di danneggiare il dispositivo.
«Il modo in cui la maggior parte dei materiali interagisce con la luce cambia anche in base alla temperatura del materiale», puntualizza Erikson, «quindi, quando un dispositivo si riscalda, le sue proprietà possono modificarsi e farlo funzionare in modo diverso».
In futuro, i micro‑risonatori potrebbero essere utilizzati per microlaser compatti, sensori chimici e biologici avanzati e persino strumenti per la metrologia quantistica e il networking.
«Molti componenti fotonici - dai laser ai modulatori ai rivelatori - sono in fase di sviluppo, e micro‑risonatori come i nostri aiuteranno a collegare insieme tutti questi elementi. Alla fine, l’obiettivo è costruire qualcosa che si possa consegnare a un produttore e realizzarne centinaia di migliaia», conclude Lu.
Riferimenti:
(1) Ultrahigh-Q chalcogenide micro-racetrack resonators
(3) Juliet Gopinath
Descrizione foto: Microrisonatori di guida d'onda ottica su un chip creato in questo sforzo, che sono dieci volte più sottili dei capelli umani. - Credit: CU Boulder College of Engineering and Applied Science.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Researchers build ultra-efficient optical sensors shrinking light to a chip