Il grafene aiuta a cambiare il modello dei circuiti integrati fotonici non lineari
La creazione di un chip fotonico in grado di generare luce a banda larga a infrarossi medi (IM) pompata da un laser a IM portatile di piccole dimensioni potrebbe essere una benedizione per applicazioni come diagnostica medica non invasiva o analisi ottica della sicurezza dell’acqua. Attualmente però la generazione di luce a banda larga su chip a IM normalmente richiede l’uso di laser a pompa che sono ingombranti e quindi non pratici per tante applicazioni. Il progetto GRAPHENICS (Graphene-enabled on-chip supercontinuum light sources), finanziato dall’UE, ha dimostrato l’ampliamento spettrale della luce degli IM in guide d’onda fotoniche di silicio ricoperto di grafene, pompata da un piccolo laser a fibra sviluppato dal progetto, con un’emissione di IM con una lunghezza d’onda molto oltre i 2 micron. Questa rivoluzionaria innovazione getta le fondamenta per i circuiti integrati fotonici non lineari basati su grafene su silicio e prepara il terreno per l’uso di fonti di luce di supercontinuum a IM su chip per applicazioni reali. Unire laser a pompa e chip ricoperti di grafene La generazione di luce a banda larga dal punto di vista spettrale, chiamata anche “generazione di supercontinuum”, si basa su fenomeni ottici non lineari come l’automodulazione di fase. Una delle caratteristiche determinanti dell’automodulazione di fase è che l’onda di luce altera realmente le proprietà materiali del mezzo attraverso il quale viaggia. Questa alterazione è mostrata in un’ampia gamma di materiali ma è particolarmente forte nel materiale bidimensionale del grafene, a condizione che sia controllata adeguatamente. L’ampliamento spettrale degli IM è stato ottenuto dal team di GRAPHENICS mediante l’automodulazione di fase in un chip fotonico in silicio coperto di grafene, con la pompa di luce per il processo di automodulazione di fase fornita da un nuovo laser a fibra a IM pulsato di piccole dimensioni. Descrivendo l’approccio di studio di GRAPHENICS, la coordinatrice del progetto, la prof.ssa Nathalie Vermeulen, dice: “Svolgendo tutti i passaggi del ciclo di ricerca e sviluppo per i chip, abbiamo fatto calcoli fondamentali di non linearità per il grafene isolato e allo stesso tempo abbiamo fatto modelli e progettato i dispositivi di guida d’onda coperti di grafene. Le nostre attività di fabbricazione comprendevano crescita, deposizione, patterning e doping del grafene direttamente sopra le guide d’onda fotoniche. I nostri esperimenti prova di concetto comportavano la caratterizzazione sia lineare che non lineare dei dispositivi. Allo stesso tempo abbiamo anche sviluppato il laser a pompa a fibra a IM compatto” Una scoperta totalmente nuova è che, al contrario di quanto si pensa comunemente, la non linearità ottica di terzo ordine del grafene, che costituisce la base del processo di automodulazione di fase, mostra un segno negativo invece di uno positivo. Come spiega la prof.ssa Vermeulen, “Normalmente, i materiali usati per la fabbricazione (su chip) di dispositivi ottici non lineari mostrano una non linearità di terzo ordine con un segno positivo. Questa non linearità potrebbe essere potenziata introducendo materiali che mostrano una più alta non linearità di terzo grado con un segno positivo. I ricercatori ipotizzavano che il grafene avrebbe soddisfatto queste condizioni, finché hanno scoperto che la sua non linearità mostra un segno negativo.” Questa scoperta ha messo in luce i punti deboli e le opportunità del materiale per i chip fotonici non lineari. L’implicazione pratica per assicurare che le prestazioni generali del dispositivo migliorassero piuttosto che peggiorare, era che i ricercatori dovevano fare attenzione alla posizione e all’area della superficie della copertura di grafene. Un progetto ad alto guadagno ma ad alto rischio con applicazioni pratiche Secondo la prof.ssa Vermeulen, sia il chip fotonico coperto di grafene che il laser a fibra a IM compatto sviluppati dal progetto sono interessanti per varie applicazioni. Come riassume, “Quando funge da fonte per la generazione di supercontinuum di IM, il laser a fibra potrebbe trovare applicazioni in tutti i sistemi di monitoraggio ottico del glucosio per malati di diabete. Come dispositivo a sé stante, offre interessanti possibilità come la rilevazione ad alta sensibilità di specifici gas a effetto serra.” In quanto progetto di Tecnologie future ed emergenti (FET) condotto da giovani ricercatori, GRAPHENICS non solo ha contribuito alla ricerca fondamentale e interdisciplinare con un impatto sulla società, ma ha anche sviluppato le competenze di futuri leader europei nel campo di scienza e tecnologia. Il lavoro di GRAPHENICS sta continuando con l’analisi sistematica del grafene associata ad altri tipi di guide d’onda. Il team sta esaminando anche le possibilità di sfruttamento commerciale del loro innovativo laser a fibra a IM.
Parole chiave
GRAPHENICS, su chip, fonte di luce a banda larga, infrarossi medi, ottica, fotonica, silicio ricoperto di grafene, grafene, guide d’onda, supercontinuum, non linearità
