Un laser a femtosecondi a basso rumore e alte prestazioni delle dimensioni di una moneta
Abbracciando aree che vanno dallo studio dei materiali e delle molecole alle telecomunicazioni ottiche, passando per la tecnologia quantistica e la spettroscopia ottica, i laser a femtosecondi dispongono del potenziale per ridefinire la ricerca e l’innovazione. Ciononostante, esiste una sfida da superare in tal senso: essi, infatti, per generare impulsi ultracorti ad alta potenza si basano sui risonatori ottici, dispositivi costosi e di grandi dimensioni. La situazione sta tuttavia iniziando a cambiare anche grazie al lavoro svolto dal progetto FEMTOCHIP, finanziato dall’UE. Il progetto si è proposto di fornire la funzionalità del laser a femtosecondi mediante una soluzione molto più piccola e meno cara, ovvero un microchip. «Riunendo esperti in materia di tecnologia laser ultraveloce, microintegrazione, scienza dei materiali e applicazioni industriali, ci eravamo prefissi di superare i numerosi ostacoli tecnici che hanno sinora reso impossibile la realizzazione di laser personalizzati a femtosecondi su chip», afferma Franz Kärtner, capogruppo presso German Electron Synchrotron DESY, il centro di ricerca partner che ha coordinato il progetto.
Un laser più potente a partire da una piattaforma fotonica compatta in silicio
Il progetto ha prodotto una piattaforma di integrazione a guida d’onda spessa basata sul silicio per circuiti integrati fotonici che può essere utilizzata al fine di creare circuiti complessi basati sul nitruro di silicio. Il laser integrato ad alta potenza con accoppiamento di modi offre una potenza di picco che supera i 100 watt (W) e un’ampiezza di impulso inferiore ai 100 femtosecondi per applicazioni di generazione di impulsi a basso jitter temporale. Inoltre, il progetto ha dimostrato amplificatori ottici ad altissima potenza che sono in grado di aumentare il livello di potenza in uscita, facendolo avvicinare ai 2 W. «Prima del nostro lavoro, la potenza massima in uscita da un dispositivo integrato era di appena 2 milliwatt da un amplificatore a semiconduttore», spiega Neetesh Singh, scienziato senior presso DESY. «Se mettiamo a confronto la nostra soluzione con i migliori amplificatori integrati degli ultimi 30 anni, indipendentemente dalla lunghezza d’onda, i nostri risultati sono 10 volte superiori.» Tra gli altri risultati chiave figurano il primo laser integrato Q-switched ad altissima energia, un riflettore a reticolo apodizzato a banda larga e un amplificatore di impulsi chirpati che ha dimostrato una potenza di picco in uscita pari a 800 W. Il progetto ha anche dimostrato un interleaver di impulsi in grado di aumentare la velocità di ripetizione da 217 megahertz a 14 gigahertz, il tutto da una piattaforma fotonica compatta in silicio. «I risultati che abbiamo ottenuto non solo sono paragonabili a quelli di molti sistemi basati sulla fibra, ma superano nettamente quelli raggiunti dai migliori amplificatori ottici a semiconduttore autonomi e offrono una qualità del fascio perfetta», aggiunge Singh.
Affrontare le sfide del mondo reale con la fotonica del silicio
Il progetto FEMTOCHIP ha gettato le basi per l’implementazione di una tecnologia laser a femtosecondi a basso rumore e ad alte prestazioni, delle dimensioni di una moneta, che sarà disponibile per la scienza e l’industria a un costo molto inferiore a quello abituale. I laser prodotti potrebbero fungere da piattaforma eccezionalmente potente per molteplici applicazioni; ad esempio, le soluzioni concepite da FEMTOCHIP potrebbero essere impiegate come laser di partenza al fine di costruire complesse sorgenti laser a femtosecondi ad alta potenza. Grazie al loro jitter estremamente basso, potrebbero inoltre fungere da orologio e campionatore per i convertitori analogico-digitali basati sulla fotonica, portando i sistemi di temporizzazione e posizionamento a un livello superiore. «Il raggiungimento di un livello di potenza in uscita senza precedenti consente ora di esplorare la fotonica del silicio nel senso di una potenza elevata da un sistema miniaturizzato, il che ne garantisce una vera applicabilità alle sfide del mondo reale», conclude Kärtner.
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