Novo Sistema de Laser de Alta Potência para Aplicações Ópticas

O nitreto de lítio em filmes finos (TFLN) tá se tornando um jogador chave na criação de sistemas ópticos avançados. Esses sistemas têm várias utilizações, desde tecnologias de comunicação até dispositivos de micro-ondas. Uma parte crucial desses sistemas é o laser, que muitas vezes precisa ser compacto e potente. Embora já existam muitos componentes que funcionam bem com TFLN, criar um laser de alta potência que possa ser facilmente ajustado tem sido um grande desafio.

Pra lidar com esse problema, os pesquisadores desenvolveram um tipo único de laser que usa um método chamado Ligação de Fios Fotônicos. Esse método permite a combinação de amplificadores ópticos com um circuito de feedback feito de TFLN. O resultado é um laser que produz uma saída impressionante de 78 mW, com a capacidade de ajustar seu comprimento de onda em uma faixa de 43 nm. O laser também tem uma estabilidade excelente, com uma largura de linha intrínseca muito estreita de apenas 550 Hz. Isso significa que a frequência do laser permanece estável ao longo do tempo, tornando-o adequado para aplicações de alta precisão.

A fotônica integrada oferece muitos benefícios potenciais, como redução de custos, eficiência energética e a capacidade de criar sistemas maiores. O TFLN tem vantagens distintas sobre outros materiais. Ele tem um grande coeficiente eletro-ótico, o que o torna muito eficiente para dispositivos como moduladores. Suas propriedades permitem processos não lineares eficazes, essenciais em muitas aplicações ópticas. O TFLN também permite que a luz passe com perda mínima em uma ampla faixa de Comprimentos de onda.

Nos últimos dez anos, os pesquisadores demonstraram com sucesso vários componentes de TFLN, como moduladores, geração de supercontinuum e conversão de frequência. No entanto, um componente essencial que ainda precisa ser desenvolvido é um laser que possa ser facilmente ajustado em termos de Potência de Saída e comprimento de onda. Um laser assim tornaria possível sistemas fotônicos totalmente integrados, sem a necessidade de lasers externos volumosos.

O novo laser desenvolvido integra amplificadores feitos de fosforeto de índio (InP) com um circuito de feedback TFLN. Todo o sistema é conectado usando ligações de fios fotônicos, que são conectores ópticos finos que criam caminhos de baixa perda para a luz. O laser consiste em dois amplificadores que trabalham juntos para aumentar significativamente a potência de saída. O design inclui um filtro Vernier, que ajuda a ajustar finamente o comprimento de onda de saída e também estende a cavidade do laser.

O processo para criar esse laser envolve primeiramente construir os componentes individuais, como amplificadores e circuitos TFLN, separadamente. Uma vez prontos, eles são alinhados e conectados usando a técnica de ligação de fios fotônicos. Esse método permite o posicionamento preciso dos componentes, garantindo que o sinal possa viajar através do sistema com perda mínima.

Uma das grandes vantagens dessa nova abordagem é que permite que diferentes partes do laser sejam feitas em instalações especializadas. Isso garante fabricação de alta qualidade para cada componente. Depois que as peças estão prontas, elas são cuidadosamente alinhadas em uma base compartilhada antes que as ligações de fios fotônicos sejam aplicadas. Essa etapa é essencial para manter o desempenho óptico.

O laser em si é projetado para permitir o ajuste da potência de saída aplicando correntes variáveis aos amplificadores. Os pesquisadores descobriram que, ao mudar as correntes, o laser pode produzir um aumento linear na potência de saída. Quando configurado em correntes ótimas, o laser alcançou uma potência máxima de 78 mW, uma melhoria significativa em relação a designs anteriores.

O laser mostra características de desempenho excelentes, incluindo a capacidade de suprimir significativamente modos laterais indesejados. Isso significa que ele pode operar em uma única frequência, o que é crítico para muitas aplicações. O comprimento de onda do laser também pode ser ajustado em uma ampla faixa, além do que foi alcançado anteriormente com dispositivos semelhantes.

Para estabilidade a curto prazo, o laser demonstra uma largura de linha intrínseca ultraestreita, confirmando sua capacidade para aplicações de baixo ruído. Testes mostram que o laser pode manter essa frequência estável ao longo do tempo, com apenas pequenas flutuações. O design permite que o laser opere continuamente por períodos prolongados, confirmando sua robustez.

Em uma avaliação a longo prazo, o laser manteve a operação sem mudanças de modo por 58 horas, o que é impressionante para esse tipo de dispositivo. Durante esse tempo, a potência de saída permaneceu estável, mostrando excelente estabilidade de frequência passiva. Esses resultados são promissores para aplicações futuras, onde o desempenho consistente é essencial.

Apesar desses resultados fortes, alguns desafios permanecem. Quando operado em correntes mais altas, o laser pode às vezes mudar de operação de modo único para modo múltiplo. Esse comportamento é semelhante ao que foi observado em outros designs de laser. Melhorias na conexão entre os amplificadores de InP e os circuitos de TFLN podem melhorar ainda mais o desempenho.

Outra preocupação é a longevidade do laser. Com o tempo, os pesquisadores notaram uma diminuição gradual na potência máxima de saída, atribuída à umidade que entra nos materiais. Embora medidas tenham sido tomadas para mitigar isso, o desenvolvimento contínuo buscará melhorar a durabilidade e a longevidade dos componentes.

Futuras melhorias se concentrarão em aumentar o desempenho e a eficiência do laser. Otimizando as conexões e reduzindo perdas dentro do sistema, os pesquisadores esperam alcançar potências de saída ainda mais altas. O desenvolvimento contínuo da tecnologia de ligação de fios fotônicos também pode permitir a integração de mais componentes em um único sistema, abrindo caminho para aplicações mais avançadas.

Em conclusão, esse novo sistema de laser de alta potência baseado em nitreto de lítio em filmes finos representa um passo significativo na fotônica integrada. Ele demonstra o potencial para criar lasers compactos, eficientes e altamente estáveis que podem atender às demandas das aplicações modernas. Com pesquisa e desenvolvimento contínuos, esses sistemas estão prontos para desempenhar um papel vital no futuro das tecnologias ópticas.