Novo chip de laser azul avança em comunicação e detecção submarina. Pesquisadores da EPFL criaram um dispositivo que combina estabilidade de luz com controle rápido de frequência, permitindo aplicações em comunicação e detecção ambiental submarina.

Luz azul: propriedades úteis para comunicação e detecção. O laser azul viaja mais facilmente pela água do que a luz infravermelha, amplamente usada em sistemas de comunicação ótica atualmente. Além disso, ele se espalha fortemente quando encontra partículas pequenas no ar, tornando-o atraente para comunicação submarina, monitoramento de poluição e instrumentos científicos.

Entretanto, essas aplicações exigem controle preciso sobre a luz do laser. Por exemplo, a frequência deve ser estável o suficiente para distinguir sinais úteis de ruído de fundo, mas também deve mudar rapidamente para transmitir informações ou fazer medições.

Os sistemas atuais de laser azul frequentemente dependem de componentes ópticos grandes para alcançar esse controle preciso. Colocá-los em chips fotônicos, que guiam e controlam a luz através de estruturas microscópicas, tem sido difícil. Nas cores azuis, mesmo imperfeições pequenas nas estruturas podem espalhar a luz e reduzir o desempenho.

Estabilidade da luz azul em chips. Um time liderado por Tobias J. Kippenberg e Simone Bianconi da EPFL desenvolveu agora um laser azul compacto que resolve esses desafios. Descrevido em Nature Photonics, o dispositivo combina operação de baixo ruído com controle rápido da frequência eletrônico.

A equipe conectou um laser azul convencional a um chip contendo um anel microscópico. O anel seleciona uma frequência de luz precisa e alimenta parte dela de volta ao laser, ajudando-o a produzir um feixe mais estável.

Para reduzir as perdas de luz, a equipe fez as estruturas de condução de luz do chip excepcionalmente finas, com apenas 25 nanômetros de espessura. Também adicionaram componentes feitos de nitrito de alumínio, um material que altera sua forma quando uma corrente elétrica é aplicada. Isso produz estresses mecânicos pequenos que alteram como a luz viaja pelo anel, permitindo que os pesquisadores ajustem rapidamente a frequência do laser.

O laser resultante operou em uma faixa de comprimento de onda de aproximadamente 461 nanômetros. Uma configuração produziu luz azul extremamente estável, com um linhas de largura abaixo de 30 kHz, uma medida de como precisamente o laser mantém sua frequência. Outra configuração permitiu que os pesquisadores ajustassem a frequência em um intervalo superior a 900 MHz, repetindo esses ajustes até 1 milhão de vezes por segundo.

Comunicação submarina e detecção de fumaça. Os pesquisadores testaram duas aplicações potenciais. Primeiro, eles transmitiram informações através de uma coluna de 30 centímetros de água codificando uma imagem digital do logotipo da EPFL em mudanças na frequência do laser. O sistema de recepção reconstruiu com sucesso a imagem, demonstrando o princípio de comunicação submarina usando o dispositivo.

No segundo experimento laboratorial, os pesquisadores usaram o laser para detectar fumaça de velas no ar. A fumaça produziu uma mudança clara no sinal detectado, enquanto um laser infravermelho operando em 1,550 nanômetros não mostrou nenhuma mudança detectável em condições comparáveis. Os resultados demonstram a sensibilidade do laser azul às partículas no ar, embora o experimento não tenha medido sua concentração.