Rivoluzionare i laser: tecnologia degli anelli semiconduttori sintonizzabili

Un team di scienziati della Vienna University of Technology (TU Wien) e della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) ha appena presentato un nuovo metodo per realizzare laser ad anello a semiconduttore sintonizzabili. Questi laser avanzati hanno il potenziale per fornire comunicazioni ad alta potenza, sistemi di sicurezza più avanzati e molto altro. Ecco cosa c'è da sapere.

Tipi di laser sintonizzabili e i loro vantaggi

Solo 6 anni dopo che Theodore H. Maiman dimostrò il primo laser utilizzando una barra di rubino sintetico, i ricercatori iniziarono a lavorare sui laser sintonizzabili. A differenza dei loro predecessori a lunghezza d'onda fissa, possono essere configurati per emettere luce a diverse lunghezze d'onda, rendendoli ideali per l'uso in applicazioni di precisione come le comunicazioni ottiche e la microscopia. Per questo motivo, i laser sintonizzabili sono diventati una componente cruciale dei moderni settori dell'alta tecnologia e della medicina.

Categorie laser sintonizzabili: gas, fibra, OPO e semiconduttori

Oggi esistono molti tipi diversi di laser sintonizzabili, tra cui laser a gas, laser a fibra, oscillatori ottici parametrici (OPO) e laser a semiconduttore. I laser a semiconduttore sintonizzabili sono considerati da molti l'opzione più avanzata. Offrono un fattore di forma compatto, supportano un'ampia lunghezza d'onda e forniscono una potenza adeguata.

Svantaggi dei laser sintonizzabili

La tecnologia laser sintonizzabile ha fatto enormi progressi in termini di capacità. Tuttavia, permangono ancora numerose limitazioni che ne hanno impedito il raggiungimento del massimo potenziale. Ad esempio, i laser sintonizzabili con un ampio spettro di frequenze offrono spesso una precisione inferiore. Inoltre, i costi di produzione di questi dispositivi e la loro fragilità complessiva sono stati visti come ostacoli al loro avanzamento.

Come sintonizzare i laser a semiconduttore

Esistono due metodi principali per creare e regolare i laser a semiconduttore. Il primo metodo richiede l'aggiunta di un reticolo preciso alla cresta del laser. Questo reticolo viene tagliato con angoli precisi su scala nanometrica per creare un feedback ottico selettivo in frequenza. Questa configurazione consente agli ingegneri di amplificare una particolare lunghezza d'onda e ridurre le interferenze di altre lunghezze d'onda modificando la corrente del laser.

Fonte - Aerospaziale militare

Il secondo metodo per la regolazione dei laser a semiconduttore utilizza una cavità esterna. In questa configurazione, un reticolo di diffrazione rotante riflette l'esatta lunghezza d'onda nella cavità. La cavità, che eccita la lunghezza d'onda in un laser, può essere regolata ruotandola.

Problemi con i laser a semiconduttore di oggi

Il campo dei laser a semiconduttore presenta alcuni inconvenienti che gli ingegneri hanno cercato di superare per molti anni. Innanzitutto, rimane il problema dell'equilibrio tra precisione e portata. Finora, si poteva disporre di un dispositivo estremamente preciso o di uno in grado di coprire diverse lunghezze d'onda in modo soddisfacente.

Un altro problema dei laser a semiconduttore è che subiscono un calo significativo delle prestazioni con l'aumentare della temperatura. Quando un laser a semiconduttore si surriscalda, perde potenza, efficienza e può persino danneggiarsi. Pertanto, è stato impossibile ottenere una regolazione continua e senza salti su un ampio spettro.

Studio sui laser ad anello a semiconduttore

Riconoscendo questi limiti, ingegneri di Harvard e scienziati di altre prestigiose istituzioni si sono prefissati di creare il primo laser a semiconduttore ad ampio spettro e ad alta precisione. Hanno documentato il loro percorso nello studio "Laser ad anello a semiconduttore sintonizzabili in modo continuo e ampiamente” pubblicato sulla rivista scientifica Optica.

L'articolo illustra il loro lavoro su un nuovo tipo di laser a semiconduttore sintonizzabile che utilizza un'architettura laser a cascata quantistica (QCL) ad array ad anello per garantire una sintonizzabilità uniforme e supportare al contempo un intervallo spettrale esteso. In particolare, i laser a cascata quantistica sono laser a semiconduttore che creano fasci nello spettro del lontano infrarosso.

Progettazione QCL ad anello: array indipendenti e indirizzabili

Il team ha iniziato il suo lavoro creando diversi piccoli QCL ad anello indirizzabili in modo indipendente. In particolare, i laser ad anello presentano due fasci di luce della stessa polarizzazione. Questi fasci sono puntati in direzioni opposte attorno a un circuito chiuso creato da specchi. Questo approccio consente misurazioni accurate anche del minimo movimento. Per questo motivo, i laser ad anello sono comunemente utilizzati nei sistemi di navigazione come giroscopi.

In questo caso, lo scienziato ha creato i laser ad anello utilizzando materiale attivo per laser a cascata quantistica e un processo di incisione a secco. Inoltre, a ciascun anello sono stati aggiunti contatti elettrici e una guida d'onda a bus. Gli ingegneri hanno notato che questo approccio ha migliorato le prestazioni, riducendo la perdita ottica della guida d'onda a bus.

Ogni anello è stato sviluppato per avere un raggio distinto. L'uso di anelli di dimensioni diverse ha creato frequenze laser distinte per ogni spazio. Questo approccio ha permesso agli ingegneri di calibrare ogni anello separatamente senza riscontrare cali di potenza laser.

Ottenere l'emissione monomodale utilizzando accoppiatori ad anello

Questo approccio unico ha permesso agli ingegneri di utilizzare più anelli insieme per creare specifiche potenze e lunghezze d'onda. Il sistema ha permesso agli ingegneri di combinare i fasci di ciascun anello in un'unica guida d'onda tramite accoppiatori direzionali evanescenti lungo sezioni rettilinee dei laser. In particolare, gli accoppiatori direzionali hanno impedito la formazione di reticoli di guadagno, garantendo che la luce viaggiasse in una sola direzione.

Emissione della guida d'onda tramite progettazione basata sulle sfaccettature

Il team ha osservato che il loro laser utilizza un metodo unico di emissione luminosa. Questo sistema si basa su un approccio di emissione a faccette che passa attraverso una guida d'onda a bus. La guida d'onda può essere utilizzata per sintonizzare e amplificare le frequenze laser secondo necessità a temperatura ambiente.

Il design modulare del laser ad anello consente la scalabilità

Il design modulare di questa configurazione laser consente agli ingegneri di adattarla a qualsiasi esigenza. Inoltre, i laser ad anello possono essere azionati simultaneamente o in modalità ad anello singolo. Pertanto, la combinazione di più laser produce un fascio più potente e intenso, rendendolo ideale per alcune applicazioni high-tech.

Test dei laser ad anello a semiconduttore

Gli ingegneri hanno iniziato a testare le loro teorie presso le camere bianche del Centro per le Micro e Nanostrutture della TU Wien. Qui hanno creato un dispositivo laser con 5 anelli, ciascuno con un raggio distinto. Nello specifico, le dimensioni degli anelli variavano da 220 a 260 µm.

Una volta creati, il team ha testato diverse configurazioni laser e lunghezze d'onda. In un caso, hanno combinato l'intervallo di sintonizzazione di tre diversi anelli per testare la sintonizzazione senza salti di modalità su ampie larghezze di banda.

Risultati dei test dei laser ad anello a semiconduttore

I risultati dei test hanno corroborato i modelli degli ingegneri. Il team ha osservato che il QCL ad anello singolo poteva emettere un fascio fino a 0.5 mW in funzionamento a onda continua a temperatura ambiente. Il test ha anche rivelato che il chip laser manteneva un'uscita di lunghezza d'onda stabile, nonostante l'intensa iniezione ottica sulla sfaccettatura laser. Questi test hanno dimostrato che il nuovo design del laser è resiliente anche in presenza di elevati livelli di feedback ottico.

Inoltre, gli ingegneri hanno notato che le prestazioni erano paragonabili a quelle dei laser DFB multisezione. Questa scoperta ha rappresentato una pietra miliare, in quanto significa che questi laser possono essere realizzati senza la necessità di realizzare un reticolo specifico lungo la regione attiva di ciascun laser.

Nello specifico, il team è stato in grado di utilizzare i tre anelli laser per spazzare in modo fluido larghezze di banda ottiche comprese tra 266 GHz e 395 GHz. L'azione di spazzamento è stata fluida e la sovrapposizione spettrale tra ciascun anello è stata minima. In particolare, il dispositivo ha prodotto un fascio di luce straordinariamente stabile anche in presenza di elevati livelli di iniezione ottica.

Vantaggi dei laser ad anello a semiconduttore

Questo studio porterà numerosi vantaggi al mercato dei laser. Innanzitutto, questo design non prevede parti mobili ed è molto più facile ed economico da produrre. Riducendo i costi di produzione di laser di fascia alta, apre le porte a più scenari d'uso e a ulteriori adozioni.

Dimensioni ridotte

Il dispositivo ha un fattore di forma ridotto e utilizza laser ad anello che possono essere ridimensionati o aumentati di dimensioni per soddisfare esigenze specifiche. Questa strategia consente la regolazione precisa della lunghezza d'onda e un'emissione stabile. Laser più piccoli contribuiranno a dare impulso alle tecnologie e ai dispositivi indossabili del futuro.

In particolare, i laser sintonizzabili tradizionali emettono una singola lunghezza d'onda alla volta. Al contrario, la modularità dei laser ad anello consente a più anelli di operare simultaneamente e di indirizzare singole lunghezze d'onda utilizzando un raggio d'onda diverso.

Feedback ridotto e stabilità del raggio migliorata

L'utilizzo di laser ad anello multiplo e di accoppiatori unidirezionali contribuisce a ridurre la riflessione posteriore, che aveva afflitto i precedenti progetti laser. Pertanto, questa struttura può supportare laser potenti in grado di gestire più energia per creare fasci più potenti rispetto a quelli prodotti dai loro predecessori.

Applicazioni reali dei laser ad anello a semiconduttore

Esistono diverse applicazioni pratiche per questa tecnologia. Innanzitutto, i laser rappresentano un concorrente cruciale in molti dei settori high-tech odierni. La creazione di dispositivi più potenti e utili contribuirà a ridurre i costi delle tecnologie odierne, favorendo al contempo l'introduzione di prodotti innovativi. Ecco alcuni altri casi d'uso per questa tecnologia.

Comunicazioni

L'industria delle telecomunicazioni è sempre alla ricerca di laser più potenti. Quest'ultimo sviluppo potrebbe contribuire a creare super reti in grado di trasmettere dati ad alta velocità a livelli precedentemente inimmaginabili. Un giorno, questi dispositivi potrebbero essere utilizzati per trasmettere dati attraverso l'universo, mantenendo i viaggiatori spaziali in contatto con la Terra da milioni di chilometri di distanza.

Medicale

In campo medico, i laser vengono utilizzati per molteplici scopi. Dalla scansione per la diagnosi di patologie alla correzione della vista, sono molti i modi in cui questi laser contribuiranno a migliorare la salute di milioni di persone in futuro. Le dimensioni ridotte e la maggiore flessibilità e precisione contribuiranno a dare vita a una nuova generazione di servizi e procedure mediche automatizzate.

Sicurezza

Gli scanner laser ad alta potenza sono un componente essenziale in numerosi settori, tra cui quello del gas e quello chimico. Questi dispositivi rilevano anche i più piccoli problemi per prevenire guasti catastrofici. Questa tecnologia potrebbe contribuire a rilevare perdite nei gasdotti, deterioramenti infrastrutturali e altre attività cruciali per la sicurezza della popolazione.

Cronologia dei laser ad anello a semiconduttore

I laser ad anello a semiconduttore potrebbero arrivare sul mercato nei prossimi 5-7 anni. La domanda per questa tecnologia è immediata e i produttori saranno ansiosi di utilizzarla per creare prodotti più piccoli e avanzati. Questa tempistica sarà più breve per l'integrazione militare, che potrebbe vedere uno sviluppo accelerato per soddisfare le crescenti esigenze dei futuri campi di battaglia.

Ricercatori di laser ad anello a semiconduttore

Lo studio sul laser ad anello a semiconduttore è stato frutto di uno sforzo congiunto della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) e della Vienna University of Technology (TU Wien). La ricerca è stata co-diretta da Federico Capasso e Vinton Hayes. Tra i contributi più significativi figurano anche Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak e Benedikt Schwarz. In particolare, il Dipartimento della Difesa e la National Science Foundation hanno finanziato lo studio tramite una sovvenzione.

Quale futuro per i laser ad anello a semiconduttore?

I ricercatori sono in procinto di brevettare il loro lavoro. Successivamente, cercheranno produttori per iniziare a ridurre ulteriormente i costi di produzione. Inoltre, il team studierà gli effetti dell'ampliamento del dispositivo con più anelli.

Investire nel settore laser

Molte aziende del settore laser si sono guadagnate una reputazione di qualità e servizio eccellente. Nel corso dei decenni, queste aziende hanno investito milioni di dollari nella ricerca su come creare i laser più efficienti e utili. Ecco un'azienda che ha fatto la sua parte per fornire al mercato dispositivi affidabili.

Società di fotonica laser 

Società di fotonica laser

è entrata nel mercato nel 1981 per fornire laser industriali di alta gamma. L'azienda ha sede a Orlando, in Florida, e attualmente offre una gamma di prodotti che include sistemi laser per la pulizia, il taglio e la difesa. (LASE )

Laser Photonics Corporation si è guadagnata la reputazione di leader del settore grazie alle sue solide pratiche commerciali e all'affidabilità dei suoi laser. Questi dispositivi offrono al mercato soluzioni ad alte prestazioni esenti da manutenzione. Inoltre, l'azienda si impegna a rendere i propri prodotti ecosostenibili e sicuri per l'ambiente.

Nell'ottobre 2022, Laser Photonics Corporation ha lanciato un'IPO che ha raccolto 55 milioni di dollari di finanziamenti. Da allora, l'azienda ha costantemente ampliato la propria offerta e la propria clientela. Oggi, Laser Photonics Corporation fornisce i suoi servizi a diverse aziende Fortune 500 ed è considerata leader del settore.

Laser ad anello a semiconduttore | Conclusione

C'è molto di cui essere entusiasti quando si discute dello studio sui laser a semiconduttore sintonizzabili. Questi dispositivi potrebbero rivoluzionare diversi settori e contribuire o ridurre i costi e le dimensioni dell'elettronica del futuro. Il fatto che il loro dispositivo sia più facile da realizzare rispetto alle opzioni odierne e offra una regolazione della lunghezza d'onda ampia e precisa in un formato compatto, delle dimensioni di un chip, lo rende una vittoria per l'intero settore.

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Studi citati:

^{1. Johannes Fuchsberger, Theodore P. Letsou, Dmitry Kazakov, Rolf Szedlak, Federico Capasso e Benedikt Schwarz, “Laser ad anello a semiconduttore sintonizzabili in modo continuo e ampiamente”, Optica 12, 985-990 (2025)}