Un amplificatore ottico ad alte prestazioni per microdispositivi

L'amplificatore ad alte prestazioni (Immagine: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen)

Ricercatori del DESY hanno realizzato un amplificatore ottico ad alte prestazioni, grande quanto un millimetro, con più di un watt di potenza in uscita su microchip ottici a base di silicio. Questa potenza in uscita è un multiplo di quanto finora fosse possibile raggiungere su questa scala ridottissima e consente l'impiego di amplificatori integrati di alta potenza nel senso della fotonica integrata, invece di amplificatori esterni. In questo modo, dispositivi e sensori miniaturizzati potrebbero essere alimentati in modo molto più semplice ed economico rispetto al passato, come ad esempio in chirurgia medica, telerilevamento con laser, telecomunicazioni, ma anche in circuiti ottici per future strutture di acceleratori e sorgenti di raggi X, che stanno diventando sempre più comuni. I ricercatori hanno ora confermato sperimentalmente che questi amplificatori di alta potenza molto compatti sono possibili, come riportano sulla rivista Nature Photonics.

Gli amplificatori di alta potenza sono componenti critici nei sistemi ottici moderni. "Per poterli impiegare più diffusamente, tali sistemi devono essere molto piccoli, analogamente all'elettronica micro, preferibilmente di circa millimetri, senza tuttavia ridurre le prestazioni. Inoltre, dovrebbero poter essere prodotti in massa e quindi a basso costo", afferma l'autore principale dello studio Neetesh Singh, che lavora nel gruppo DESY di fisica dei laser ultracorti e raggi X presso il Center for Free-Electron Laser Science (CFEL). Tuttavia, la miniaturizzazione incontra dei limiti, poiché un sistema ottico più piccolo può immagazzinare ed erogare meno energia e potenza. Finora non era stato possibile costruire amplificatori ottici di alta potenza così piccoli da poter essere integrati su un microchip. Invece, tali micro-sistemi sono stati finora dipendenti da amplificatori esterni, molto più grandi, da banco.

Nel nuovo studio, tuttavia, il team di Singh ha utilizzato per la prima volta un cosiddetto guidatore di onde a grande area di modalità (LMA), che aveva sviluppato in precedenza, per amplificare un segnale luminoso in uno spazio estremamente ridotto. La chiave è l'area della sezione trasversale del campo elettrico guidato dal guidatore di onde, chiamata "modalità". Nei recenti esperimenti, il team di Singh è riuscito ad aumentare la sezione trasversale delle modalità in un guidatore di onde fotonico in nitruro di silicio e ossido di alluminio, da un solo a 30 micrometri quadrati. In questo modo, la potenza in uscita è passata da alcune decine di milliwatt a oltre un watt.

Ciò è stato reso possibile da un design sofisticato della superficie del microchip, di soli quattro millimetri quadrati, su cui il segnale luminoso viene inviato attraverso un sottile guidatore di onde in nitruro di silicio, rivestito con uno strato di ossido di alluminio di spessore controllato. Il guidatore di onde in nitruro di silicio può attraversare più volte una regione chiamata LMA. Il segnale ottico, inizialmente piccolo, debole e guidato nel guidatore di onde, attraversa poi una regione appositamente progettata per allargarsi. "In questo modo, la modalità viene praticamente spremuta fuori dal guidatore di onde, ampliando notevolmente la sua sezione trasversale e facendola sembrare una nuvola che fluttua sopra lo strato di ossido di alluminio sopra il guidatore di onde", spiega Singh. "Tuttavia, rimane collegata al guidatore di onde originale come un palloncino di aria calda con il suo cestino."

Lo strato di ossido di alluminio è ricco di ioni di tulio, che vengono eccitati tramite una cosiddetta pompa ottica — un laser esterno — portandoli in uno stato eccitato, cioè ricco di energia. Con questi ioni, i fotoni del segnale della modalità interagiscono in un'area relativamente ampia, chiamata "Large Mode Area" o "LMA". E proprio perché la modalità è così grande, i fotoni possono interagire con molti ioni energizzati, sottraendo loro energia: "Come un grande spazzaneve può raccogliere più neve in una sola passata rispetto a una piccola paletta, una grande modalità può contenere più ioni", afferma Singh.

Gli scienziati amplificano ulteriormente il segnale facendolo passare più volte attraverso la regione LMA. Per farlo, il guidatore di onde si espande di nuovo, richiamando la nuvola di segnale che fluttua sopra di esso nel guidatore di onde in nitruro di silicio, fa una curva di 180 gradi ai bordi del chip, re-invia il segnale attraverso la regione LMA e lo restringe di nuovo, così che la modalità venga nuovamente compressa nello strato energetico, per assorbire ancora più potenza.

Alla fine, si ottiene un segnale molto più forte rispetto all'inizio. E tutto in uno spazio molto ridotto, integrato su un microchip. La qualità del segnale viene mantenuta. Amplificatori esterni diventano così superflui in molti sistemi, rendendoli non solo più piccoli, ma anche più economici e affidabili: "Il nostro micro-amplificatore LMA ad alte prestazioni ci permette di integrare in futuro circuiti ottici complessi ad alta potenza, come già facciamo da tempo con l'elettronica micro", sottolinea Franz Kärtner, responsabile del gruppo di fisica dei laser ultracorti e raggi X, che insegna anche come professore di fisica all'Università di Amburgo. "Questo ci consentirà di produrre in modo economico sistemi ottici complessi per acceleratori, sorgenti di raggi X e molte altre applicazioni, con alta affidabilità."

Questo lavoro di ricerca è stato finanziato sia dal programma European Innovation Council – EIC-Pathfinder "Femtochip" sia dal programma di eccellenza 2111 della Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): "Elaborazione di segnali ultraveloci tramite tecnologia nanofotonica/eletttronica", progetto PACE (403188360). La produzione su larga scala è stata condotta in collaborazione con l'azienda svizzera LIGENTEC, SA e il gruppo di Sonia M. Garcia-Blanco presso l'MESA+ dell'Università di Twente nei Paesi Bassi, vedi anche https://www.femtochip.eu/.

Il numero DOI della pubblicazione originale 'Watt-class silicon photonics-based optical high-power amplifier' è 10.1038/s41566-024-01587-9: https://www.nature.com/articles/s41566-024-01587-9