Per decenni, i laser ultrarapidi sono stati tra gli strumenti più potenti dell’ottica moderna. I loro impulsi durano solo poche centinaia di femtosecondi, ovvero quadrilionesimo di secondo, e consentono lo sviluppo di tecnologie che spaziano dalla produzione di precisione e dalla chirurgia oculare ai pettini di frequenza ottica, l’innovazione premiata con il Premio Nobel che alimenta gli orologi atomici ottici più precisi al mondo.
Nonostante la loro importanza, questi laser sono rimasti per lo più sistemi di grandi dimensioni e costosi, che occupano interi tavoli ottici. Ora, i ricercatori guidati dal professor Tobias J. Kippenberg dell’EPFL hanno raggiunto una svolta che potrebbe ridurre drasticamente le dimensioni di questa tecnologia.
In un articolo pubblicato su Nature , il team descrive il primo laser ultrarapido integrato in grado di eguagliare le prestazioni dei tradizionali laser a femtosecondi da tavolo. Il dispositivo eroga energie di impulso di 1,05 nanojoule e durate di impulso di soli 147 femtosecondi, il tutto da un chip fotonico.
Portare i laser ultrarapidi sui chip fotonici
I chip fotonici manipolano la luce utilizzando strutture microscopiche chiamate guide d’onda, incise su un wafer. In modo del tutto simile a come i chip elettronici dirigono i segnali elettrici, i chip fotonici guidano ed elaborano la luce.
Questi chip sono già ampiamente utilizzati nelle telecomunicazioni e hanno contribuito a miniaturizzare molte tecnologie ottiche che in precedenza richiedevano apparecchiature di dimensioni molto maggiori.
“Per oltre vent’anni, un laser a femtosecondi ad alta energia di impulso su chip è stato ampiamente considerato il Santo Graal della fotonica integrata”, afferma Kippenberg. “Il nostro risultato dimostra che non solo è possibile, ma che può essere realizzato con un’architettura sorprendentemente elegante che la comunità della fotonica integrata aveva trascurato.”
Un design laser trascurato offre
Per raggiungere questo risultato, i ricercatori hanno adottato un’architettura laser nota come oscillatore Mamyshev, un progetto che aveva ricevuto relativamente poca attenzione nel campo della fotonica integrata.
Il sistema prevede l’inserimento di una guida d’onda non lineare tra due filtri ottici, ciascuno dei quali trasmette una diversa porzione dello spettro luminoso. Quando un impulso laser intenso attraversa la guida d’onda, si espande in una gamma più ampia di colori. Parte di questo impulso allargato può quindi attraversare entrambi i filtri e continuare a circolare all’interno della cavità laser.
La luce più debole si comporta in modo diverso. Non essendo sufficientemente diffusa, viene bloccata dai filtri ed eliminata dal ciclo.
“Questo design è particolarmente interessante perché non richiede alcun componente difficile da realizzare su questo chip di nitruro di silicio drogato con erbio”, spiega Zheru Qiu, uno degli autori principali dell’articolo.
Secondo Qiu, il design offre un altro importante vantaggio. I chip fotonici confinano la luce in guide d’onda estremamente piccole, causando una forte interazione tra la luce e se stessa. In molte architetture laser, questi effetti non lineari possono destabilizzare gli impulsi laser. L’oscillatore di Mamyshev, tuttavia, è molto meno soggetto a questi problemi, il che lo rende particolarmente adatto ai dispositivi fotonici integrati.
Dispositivo minuscolo, grande potenziale
La cavità laser misura 42 centimetri di lunghezza, eppure può essere ripiegata su un chip che occupa all’incirca l’area di una capocchia di fiammifero. Questo la rende notevolmente più piccola rispetto ai laser ultrarapidi convenzionali a fibra ottica.
Poiché i chip fotonici possono essere fabbricati su scala wafer utilizzando metodi simili a quelli impiegati per i chip dei computer, si potrebbero potenzialmente produrre simultaneamente più di 1.000 cavità laser. Questo vantaggio produttivo potrebbe ridurre significativamente il costo dei laser ultrarapidi, ampliandone al contempo la disponibilità per applicazioni di rilevamento, spettroscopia e misurazione di precisione.
“Grazie a potenze di picco dell’ordine dei kilowatt, il chip è in grado di gestire applicazioni complesse che per lungo tempo si sono basate su laser da laboratorio di grandi dimensioni e costosi”, afferma Qiu.
I ricercatori ritengono che questa tecnologia potrebbe in futuro portare alla realizzazione di dispositivi portatili ed economici per il rilevamento di inquinanti ambientali, l’identificazione di difetti nascosti nei materiali e la diagnostica medica. Potrebbe inoltre contribuire ad aprire la strada a orologi atomici ottici compatti, che potrebbero svolgere un ruolo importante nei futuri sistemi di comunicazione e navigazione.
Il lavoro ha coinvolto ricercatori dell’Istituto di Ingegneria Elettrica e Microingegneria dell’EPFL e dell’Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR).
Abstract
I laser ultraveloci hanno portato a numerosi progressi in ambito scientifico e tecnologico: hanno reso possibile la chirurgia corneale. 1 , rivelata la dinamica della reazione chimica 2 e ha innescato lo sviluppo degli orologi atomici ottici 3 Negli ultimi decenni, sono stati compiuti notevoli sforzi per realizzare laser a blocco di modo basati su circuiti fotonici integrati (PIC) che siano compatti, fabbricati su scala wafer e compatibili con ulteriori funzionalità on-chip. 4 , 5 , 6 Tuttavia, le dimostrazioni finora realizzate non possiedono l’energia impulsiva necessaria per guidare processi non lineari, come la generazione di supercontinuo. In questo lavoro presentiamo un laser a blocco di modi che supera questa difficoltà grazie all’utilizzo di fotoconvertitori in fase solida (PIC) in nitruro di silicio impiantati con ioni di erbio. 7 Il laser si basa sull’architettura dell’oscillatore Mamyshev. 8 , in cui il filtraggio spettrale alternato e l’automodulazione di fase consentono il blocco di modo e possono supportare grandi spostamenti di fase non lineari 9 Funziona senza seeding esterno, erogando un treno di impulsi a 176 MHz con energia per impulso in nanojoule, paragonabile ai laser a fibra e superiore di due ordini di grandezza alle precedenti sorgenti basate su PIC. L’uscita presenta un’elevata coerenza, può essere compressa linearmente a 147 fs e può pilotare direttamente un supercontinuo con estensione di 1,5 ottave in una guida d’onda in Si₃N₄ senza , ulteriore amplificazione. Uno spettrometro compatto nel dominio del tempo dei terahertz, pilotato da questa sorgente , ha raggiunto una larghezza di banda di 5 THz e una gamma dinamica di 90 dB. Ne dimostriamo l’applicazione nell’analisi e nell’ispezione chimica senza contatto. I nostri risultati mostrano il potenziale di un laser ultrarapido integrato, con applicazioni che spaziano dalla metrologia di frequenza su scala di chip ai sistemi di spettroscopia portatili.
Materials provided by Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne. Note: Content may be edited for style and length.
Zheru Qiu, Xuan Yang, Xurong Li, Jianqi Hu, Zhongshu Liu, Yichi Zhang, Xinru Ji, Jiale Sun, Grigory Lihachev, Zihan Li, Ulrich Kentsch, Tobias J. Kippenberg. High-pulse-energy integrated mode-locked laser using a Mamyshev oscillator. Nature, 2026; 654 (8117): 57 DOI: 10.1038/s41586-026-10517-4
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