Um isolador óptico desenvolvido na Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) poderia melhorar drasticamente os sistemas ópticos para muitas aplicações práticas.

Todos os sistemas ópticos — usados ??para telecomunicações, microscopia, geração de imagens, fotônica quântica e muito mais — dependem de um laser para gerar fótons e feixes de luz . Para evitar danos e instabilidade desses lasers, esses sistemas também exigem isoladores, componentes que impedem que a luz viaje em direções indesejadas. Os isoladores também ajudam a reduzir o ruído do sinal, evitando que a luz seja refletida sem restrições. Mas os isoladores convencionais têm um tamanho relativamente volumoso e exigem que mais de um tipo de material seja unido, criando um obstáculo para alcançar um desempenho aprimorado.

Agora, uma equipe de pesquisadores liderada pelo engenheiro elétrico Marko Lon?ar da SEAS desenvolveu um método para construir um isolador integrado altamente eficiente que é perfeitamente incorporado a um chip óptico feito de niobato de lítio. Suas descobertas são relatadas na Nature Photonics .

"Construímos um dispositivo que permite que a luz emitida pelo laser se propague inalterada, enquanto a luz refletida que volta para o laser muda de cor e é redirecionada para longe do laser", disse Lon?ar, Tiantsai Lin Professor de Engenharia Elétrica da SEAS . "Isso é feito enviando sinais elétricos na direção dos sinais ópticos refletidos, aproveitando assim as excelentes propriedades eletro-ópticas do niobato de lítio", no qual a tensão pode ser aplicada para alterar as propriedades dos sinais ópticos, incluindo velocidade e cor .

"Queríamos criar um ambiente mais seguro para um laser operar e, ao projetar essa via de mão única para a luz, podemos proteger o dispositivo do reflexo do laser", disse Mengjie Yu, coautor do artigo e um ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lon?ar. "Até onde sabemos, quando comparado a todas as outras demonstrações de isoladores integrados, este dispositivo apresenta o melhor isolamento óptico do mundo. Além do isolamento, ele oferece o desempenho mais competitivo em todas as métricas, incluindo perda, eficiência de energia e ajuste."

"O que é excepcional sobre este dispositivo é que, em sua essência, ele é incrivelmente simples - na verdade, é apenas um único modulador", diz Rebecca Cheng, co-autora do artigo e atual Ph.D. estudante no laboratório de Loncar. "Todas as tentativas anteriores de projetar algo assim exigiam vários ressonadores e moduladores. A razão pela qual podemos fazer isso com um desempenho tão notável é por causa das propriedades do niobato de lítio."

Outra razão para o alto desempenho e eficiência tem a ver com o tamanho do dispositivo - a equipe o construiu no Harvard Center for Nanoscale Systems, fabricando um chip de 600 nanômetros de espessura com gravuras (para guiar a luz usando nanoestruturas prescritas) até 320 nanômetros de profundidade.

"Com um dispositivo menor, você pode controlar a luz com mais facilidade e também colocar essa luz mais próxima dos sinais elétricos, obtendo assim um campo elétrico mais forte com a mesma voltagem", permitindo um controle mais poderoso da luz, disse Yu.

As dimensões reduzidas e a propriedade de perda ultrabaixa desta plataforma também aumentam a potência óptica. "Como a luz não precisa viajar tão longe, há menos decaimento e perda de energia", disse Cheng.

Por fim, as equipes mostram que o dispositivo pode proteger com sucesso um laser no chip da reflexão externa. "Somos a primeira equipe a mostrar a operação estável de fase do laser sob a proteção de nosso isolador óptico", disse Yu.

Ao todo, o avanço representa um salto significativo para chips ópticos práticos e de alto desempenho . A equipe relata que pode ser usado com uma variedade de lasers , exigindo apenas um sinal elétrico de contrapropagação para alcançar os efeitos desejados.

A equipe espera que o avanço - parte de um esforço maior para integrar lasers e componentes fotônicos em um chip em escalas extremamente pequenas - desbloqueie novos recursos em uma variedade de aplicações, abrangendo o setor de telecomunicações para transferência de frequência de tempo, uma maneira de medir com precisão tempo até a escala atômica e subatômica que poderia ter implicações para a pesquisa e computação quântica.

"A integração de todos os aspectos de um sistema óptico em um único chip pode substituir muitos sistemas maiores, mais caros e menos eficientes", disse Yu. "Combinar todas essas coisas pode revolucionar muitos campos de trabalho."