Investigadores del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-UNICAMP) en el estado de São Paulo, Brasil, han teorizado un dispositivo fotónico de silicio que permitiría la interacción de ondas ópticas y mecánicas que vibran a decenas de gigahercios (GHz). El dispositivo propuesto se describe en un artículo publicado en Informes científicos .

"A través de simulaciones por computadora, propusimos un dispositivo que podría explotar un mecanismo para la dispersión de la luz por vibraciones mecánicas, llamado dispersión de Brillouin, y podría transponerse a microchips fotónicos, "dijo Gustavo Silva Wiederhecker, profesor de IFGW-UNICAMP e investigador principal del proyecto nanofotónica.

En años recientes, Wiederhecker y su grupo en IFGW-UNICAMP se han centrado en este mecanismo, que fue descrita inicialmente en 1922 por el físico francés León Nicolas Brillouin (1889-1969). En la dispersión de Brillouin, luz, que consta de fotones, interactúa con vibraciones elásticas, que consisten en fonones, a frecuencias muy altas (decenas de GHz) en un medio transparente.

Fue imposible explotar este efecto de manera eficiente hasta la década de 1960, cuando el físico estadounidense Theodore Harold Maiman (1927-2007) inventó el láser. En ese tiempo, Los investigadores observaron que el campo electromagnético de un haz de luz intenso transmitido a lo largo de una fibra óptica por una fuente láser induce ondas acústicas que se propagan a lo largo del material y dispersan la luz a una frecuencia diferente a la del láser.

"Este mecanismo de dispersión de luz es fácil de observar en fibras ópticas, que puede tener cientos de kilómetros de largo, porque es acumulativo, "Wiederhecker dijo, lo que significa que se acumula a medida que las ondas viajan a lo largo de la fibra.

"Es más difícil de observar y explotar en un dispositivo optomecánico a escala micrométrica debido al pequeño espacio en el que circula la luz". Los dispositivos optomecánicos confinan simultáneamente las ondas de luz y las ondas mecánicas para permitir la interacción entre ellas.

Para superar esta limitación de tamaño con respecto a la propagación de la luz, Wiederhecker y su grupo desarrollaron discos de silicio con un diámetro de aproximadamente 10 micrones (μm), equivalente a una décima parte del grosor de un cabello humano. Los discos actúan como microcavidades.

Utilizando una fibra óptica con un diámetro de aproximadamente 2 μm, los investigadores acoplaron luz a este sistema. La luz se refleja desde el borde del material y gira alrededor de la cavidad del disco miles de veces durante unos pocos nanosegundos antes de disiparse.

Como resultado, la luz permanece en la cavidad más tiempo y, por lo tanto, interactúa más con el material, y se aumentan los efectos optomecánicos. "Es como si la luz se propagara a una distancia mucho mayor, "Explicó Wiederhecker.

El problema es que tal microcavidad no permite que la luz a ninguna frecuencia arbitraria sea resonante (se propague a través de la cavidad), aunque permite que se propague la luz emitida originalmente por el láser. "No se puede aprovechar el efecto de dispersión de Brillouin en estas microcavidades, " él dijo.

Usando simulaciones por computadora, los investigadores construyeron teóricamente no un microdisco con una cavidad, sino un sistema que comprende dos microdiscos de silicio con una cavidad cada uno. Los discos están acoplados lateralmente, y la distancia entre sus cavidades es minúscula, del orden de cientos de nanómetros (un nanómetro es una mil millonésima parte de un metro). Este sistema crea lo que se conoce como efecto de separación de frecuencias.

Este efecto separa ligeramente la frecuencia de la luz dispersada por las ondas acústicas de la frecuencia de la luz emitida por el láser. que es de 11-25 GHz, exactamente igual que el de las ondas mecánicas, y asegura que los miles de fonones (excitaciones elementales de ondas acústicas) generados por segundo en este sistema (a velocidades que oscilan entre 50 kHz y 90 kHz) puedan propagarse en las cavidades.

Como resultado, es posible observar y explotar la dispersión de Brillouin en este sistema micrométrico, según Wiederhecker.

"Demostramos que con una potencia láser de aproximadamente 1 milivatio, equivalente a la potencia de un puntero láser para usar en una presentación de diapositivas, por ejemplo, sería posible observar el efecto de dispersión de Brillouin en un sistema de cavidad de doble disco, " él dijo.