Una lente de tiempo en chip genera pulsos ultrarrápidos

Los láseres pulsados ​​de femtosegundo, que emiten luz en ráfagas ultrarrápidas que duran una millonésima de una billonésima de segundo, son herramientas poderosas que se utilizan en una variedad de aplicaciones, desde la medicina y la fabricación, hasta la detección y las mediciones de precisión del espacio y el tiempo. Hoy en día, estos láseres suelen ser sistemas de sobremesa costosos, lo que limita su uso en aplicaciones que tienen restricciones de tamaño y consumo de energía.

Una fuente de pulsos de femtosegundos en el chip desbloquearía nuevas aplicaciones en computación cuántica y óptica, astronomía, comunicaciones ópticas y más. Sin embargo, ha sido un desafío integrar láseres pulsados ​​ajustables y altamente eficientes en chips.

Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) han desarrollado una fuente de pulsos de femtosegundos en chip de alto rendimiento utilizando una herramienta que parece sacada directamente de la ciencia ficción: una lente del tiempo.

La investigación se publica en Naturaleza.

«Los láseres pulsados ​​que producen pulsos cortos de alta intensidad que consisten en muchos colores de luz se han mantenido grandes», dijo Marko Lončar, profesor Tiantsai Lin de Ingeniería Eléctrica en SEAS y autor principal del estudio.

«Para hacer que estas fuentes sean más prácticas, decidimos reducir un enfoque bien conocido, que se utiliza para realizar fuentes de femtosegundos convencionales y grandes, aprovechando una plataforma fotónica integrada de última generación que hemos desarrollado. Es importante destacar que nuestros chips se fabrican utilizando técnicas de microfabricación como las que se utilizan para fabricar chips de computadora, lo que garantiza no solo un costo y tamaño reducidos, sino también un mejor rendimiento y confiabilidad de nuestras fuentes de femtosegundos».

Las lentes tradicionales, como las lentes de contacto o las que se encuentran en lupas y microscopios, desvían los rayos de luz que vienen de diferentes direcciones al alterar su fase para que lleguen al mismo lugar en el espacio: el punto focal.

Las lentes de tiempo, por otro lado, «doblan» los haces de luz de manera similar, pero alteran la fase de los haces de luz en el tiempo y no en el espacio. De esta manera, los diferentes colores de luz, que viajan a diferentes velocidades, se vuelven a sincronizar para que cada uno de ellos llegue al plano focal al mismo tiempo.

Imagina una carrera de autos, en la que cada color de luz es un auto diferente. Primero, la lente de tiempo escalona el tiempo de salida de cada automóvil, luego establece su velocidad para que lleguen a la línea de meta al mismo tiempo.

Para generar pulsos de femtosegundos, el dispositivo del equipo utiliza una serie de guías de ondas ópticas, acopladores, moduladores y rejillas ópticas en la plataforma de niobato de litio iniciada por el laboratorio de Lončar.

El equipo comienza pasando un rayo láser monocolor de onda continua a través de un modulador de amplitud que controla la cantidad de luz que pasa a través de la lente del tiempo, una función similar a la apertura de una lente convencional. Luego, la luz se propaga a través de la parte «flexible» de la lente, un modulador de fase en este caso, donde se genera un peine de frecuencia de diferentes colores. Volviendo a la analogía del automóvil, el modulador de fase crea y luego libera los automóviles de diferentes colores en diferentes tiempos de inicio.

Luego entra el componente final del láser: una rejilla de espina de pescado a lo largo de la guía de ondas. La rejilla cambia la velocidad de los diferentes colores de luz para alinearlos uno con el otro, codo con codo en la carrera, para que lleguen a la línea de meta (o plano focal) al mismo tiempo.

Debido a que el dispositivo controla qué tan rápido viajan las diferentes longitudes de onda y cuándo golpean el plano focal, transforma efectivamente el rayo láser continuo de un solo color en una fuente de pulso de banda ancha y alta intensidad que puede producir ráfagas ultrarrápidas de 520 femtosegundos.

El dispositivo es altamente sintonizable, está integrado en un chip de 2 cm por 4 mm y, debido a las propiedades electroópticas del niobato de litio, requiere una potencia significativamente menor que los productos de mesa.

«Hemos demostrado que la fotónica integrada ofrece mejoras simultáneas en el consumo de energía y el tamaño», dijo Mengjie Yu, ex becaria postdoctoral en SEAS y primera autora del estudio.

«Aquí no hay compensación; ahorra energía al mismo tiempo que ahorra espacio. Simplemente obtiene un mejor rendimiento a medida que el dispositivo se vuelve más pequeño y más integrado. Imagínese: en el futuro podemos llevar láseres de pulso de femtosegundos en nuestros bolsillos para sentir cómo la fruta fresca es o rastrear nuestro bienestar en tiempo real, o en nuestros autos para medir la distancia».

A continuación, el equipo tiene como objetivo explorar algunas de las aplicaciones tanto del láser como de la tecnología de lentes de tiempo, incluso en sistemas de lentes como telescopios, así como en procesamiento de señales ultrarrápidas y redes cuánticas.