Nella fotonica integrata, la capacità di confinare e manipolare la luce a scala micrometrica rappresenta una delle sfide tecnologiche più rilevanti della fisica applicata contemporanea. I microrisonatori ottici sono dispositivi in grado di intrappolare i fotoni in strutture di dimensioni microscopiche, amplificandone l'intensità fino a livelli sufficienti per abilitare processi ottici non lineari con applicazioni che spaziano dalla sensoristica avanzata alla computazione quantistica. Un gruppo di ricerca della University of Colorado Boulder (CU Boulder) ha ora sviluppato microrisonatori ottici ad altissima efficienza, raggiungendo prestazioni che si collocano tra le migliori mai ottenute con la classe di materiali utilizzata, aprendo prospettive concrete per una nuova generazione di sensori compatti e strumenti per la fotonica quantistica.
Il principio fisico alla base di questi dispositivi è relativamente intuitivo: la luce immessa in un microrisonatore circola al suo interno percorrendo un anello chiuso, e ogni volta che compie un giro la sua intensità si somma a quella dei passaggi precedenti, in modo analogo a come un'onda sonora si amplifica in una cavità risonante. Perché questo meccanismo funzioni efficacemente, è però indispensabile ridurre al minimo le perdite di fotoni durante la circolazione. È proprio su questo aspetto critico che il team di Boulder ha concentrato i propri sforzi, con risultati pubblicati sulla rivista Applied Physics Letters.
La prima innovazione riguarda la geometria del dispositivo. I ricercatori hanno adottato una configurazione a risonatore a pista (racetrack resonator), la cui forma allungata ricorda quella di una pista di atletica. In questa architettura, le curve rappresentano i punti critici: la luce, come un veicolo ad alta velocità, non riesce a percorrere curve a gomito senza perdere energia. Per risolvere il problema, il team ha integrato le cosiddette curve di Eulero, un tipo di curvatura a variazione graduale già impiegata nell'ingegneria stradale e ferroviaria. "Queste curve minimizzano le perdite per curvatura," ha spiegato Won Park, Sheppard Professor of Electrical Engineering e co-supervisore del progetto. "La nostra scelta di design è stata un'innovazione chiave di questo lavoro."
Grazie a questa geometria ottimizzata, i fotoni riescono a percorrere traiettorie più lunghe all'interno della struttura senza dissiparsi, aumentando significativamente il numero di cicli utili e, di conseguenza, l'intensità del campo luminoso interno. Bright Lu, dottorando al quarto anno in ingegneria elettrica e informatica e primo autore dello studio, ha precisato il significato applicativo di questo risultato: "Il nostro lavoro riguarda l'utilizzo di una minore potenza ottica con questi risonatori per usi futuri. Un giorno questi microrisonatori potranno essere adattati a un'ampia gamma di sensori, dalla navigazione all'identificazione di sostanze chimiche."
Il secondo elemento distintivo della ricerca riguarda la scelta del materiale. I dispositivi sono stati realizzati utilizzando i calcogenuri, una famiglia di vetri semiconduttori caratterizzati da elevata trasparenza nell'infrarosso e da forti proprietà ottiche non lineari. Questi materiali consentono alla luce intensa di propagarsi con perdite minime per assorbimento, una caratteristica fondamentale per il funzionamento ad alte prestazioni dei microrisonatori. "I calcogenuri sono materiali eccellenti per la fotonica grazie alla loro alta trasparenza e non linearità," ha sottolineato Park. "Il nostro lavoro rappresenta uno dei dispositivi con le migliori prestazioni mai realizzati con i calcogenuri, se non il migliore in assoluto."
La lavorazione dei calcogenuri è però notoriamente complessa e richiede un controllo estremamente preciso durante la fabbricazione. Come ha evidenziato la professoressa Juliet Gopinath, che collabora con Park su questo progetto da oltre dieci anni: "I calcogenuri sono materiali difficili ma gratificanti per i dispositivi fotonici non lineari. I nostri risultati hanno dimostrato che minimizzare le perdite per curvatura consente di ottenere dispositivi a perdite ultraridotte, comparabili allo stato dell'arte nelle altre piattaforme di materiali."
La fabbricazione dei microrisonatori è avvenuta presso la sala bianca del Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC), utilizzando un sistema di litografia a fascio di elettroni di nuova generazione. Questa tecnica supera i limiti fisici imposti dalla litografia ottica tradizionale: mentre quest'ultima è vincolata dalla lunghezza d'onda della luce utilizzata per incidere i pattern, il fascio di elettroni non ha tale limitazione e consente di raggiungere risoluzioni sub-nanometriche. "Con gli elettroni possiamo realizzare le nostre strutture con una risoluzione sub-nanometrica, che è critica per i nostri microrisonatori," ha spiegato Lu, che ha descritto il processo di fabbricazione come una delle esperienze più soddisfacenti del progetto, sottolineando il fascino di trasformare un sottile film di vetro in un circuito ottico funzionante.
La caratterizzazione sperimentale dei dispositivi è stata condotta da James Erikson, dottorando in fisica specializzato in misurazioni laser. Erikson ha allineato con precisione sorgenti laser a guide d'onda microscopiche per iniettare e raccogliere la luce dai risonatori, monitorandone il comportamento interno. Il segnale diagnostico cercato erano le cosiddette "buche di risonanza" (dips): cali nella luce trasmessa che indicano l'intrappolamento e la circolazione dei fotoni all'interno della struttura. "L'indicatore più evidente della qualità del dispositivo è la forma delle risonanze, e vogliamo che siano profonde e strette, come un ago che perfora il segnale di fondo," ha descritto Erikson.
Un aspetto metodologico importante riguardava la distinzione tra luce assorbita e luce trasmessa: all'aumentare della potenza laser, il dispositivo si riscalda e le proprietà del materiale possono variare, alterando il comportamento del risonatore o rischiando di danneggiarlo. Comprendere e controllare questi effetti termici è stato dunque parte integrante del processo di valutazione delle prestazioni del dispositivo.
Le prospettive aperte da questi risultati sono molteplici e si estendono su un orizzonte temporale che ancora richiede sviluppo e consolidamento sperimentale. Nel breve termine, i microrisonatori potrebbero contribuire alla realizzazione di microlaser compatti e di sensori chimici e biologici ad alta sensibilità. Nel medio termine, la loro integrazione con altri componenti fotonici — modulatori, rilevatori, sorgenti laser — potrebbe portare alla costruzione di piattaforme fotoniche integrate per la metrologia quantistica e le reti di comunicazione quantistica. L'obiettivo dichiarato del gruppo è quello di sviluppare dispositivi sufficientemente robusti e riproducibili da poter essere affidati a un produttore per la fabbricazione su scala di centinaia di migliaia di unità: un passaggio necessario per trasformare un risultato di laboratorio in una tecnologia concretamente disponibile.
