Investigadores de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) en Suiza han desarrollado el primer láser integrado en un chip que iguala el rendimiento de los láseres convencionales basados en fibra. Este logro podría facilitar la creación de láseres más pequeños, portátiles y económicos para diversas aplicaciones.
Desde su aparición en la década de 1960, los láseres han transformado numerosos campos. Desde la manufactura de precisión hasta las cirugías modernas, las telecomunicaciones y la impresión, los láseres se han convertido en una herramienta esencial en el mundo contemporáneo.
Con el incremento de sus aplicaciones, surge la necesidad de desarrollar láseres más pequeños y fáciles de operar. Los investigadores han estado trabajando en la miniaturización de los láseres basados en fibra, considerados el estándar de oro por su calidad de haz, alta potencia de salida y baja interferencia.
Un equipo de investigación liderado por Tobias Kippenberg, profesor de física en la EPFL, ha desarrollado un láser de guía de onda dopada con erbio, integrado en un chip fotónico, que ofrece características de haz similares a las de los láseres basados en fibra. El erbio es un elemento de tierras raras que actúa como fuente de luz en el láser.
Utilizando un proceso de fabricación de última generación, los investigadores construyeron una cavidad óptica de un metro de longitud en un circuito fotónico de nitruro de silicio. Una cavidad óptica es un conjunto de espejos que proporciona retroalimentación óptica.
El equipo implantó iones de erbio en el circuito para crear la ganancia necesaria para el láser e integró una bomba de semiconductor para excitar los iones de erbio, emitir luz y producir el haz láser.
La estrechez del haz permite la producción de luz estable, necesaria para aplicaciones que van desde LiDAR y sensores hasta la fabricación de giroscopios y la realización de metrología con frecuencia óptica.
En pruebas, los investigadores confirmaron que su haz láser generó una salida de potencia de 10 mW y tuvo una relación de supresión lateral superior a 70 dB, superando así a los sistemas láser convencionales.
Un área donde el láser superó a los láseres de fibra fue en la sintonización de longitud de onda de más de 40 nanómetros en las bandas C y L, importantes para aplicaciones de telecomunicaciones. El láser de chip fotónico podría ayudar a desarrollar mejores sistemas en este ámbito.
Estas capacidades del sistema de láser en chip fotónico fueron posibles gracias a innovaciones como el diseño de cavidad intra, donde los investigadores utilizaron filtros Vernier basados en microrrelojes.
«Fuimos capaces de diseñar la cavidad del láser para que tuviera una longitud de escala métrica a pesar del tamaño compacto del chip, gracias a la integración de estos resonadores de microrreloj que efectivamente extienden la trayectoria óptica sin agrandar físicamente el dispositivo,» dijo Yang Liu, investigador doctoral en la EPFL.
Esto permitió al filtro utilizar frecuencias de luz específicas y la sintonización dinámica de la longitud de onda del láser en un amplio rango. El láser emite luz a una frecuencia consistente minimizando otras frecuencias, lo que contribuye a la alta relación de supresión lateral mencionada anteriormente.
