Los investigadores han demostrado la primera cavidad láser que puede confinar y propagar la luz en cualquier forma imaginable. incluso caminos con curvas y ángulos pronunciados. La nueva cavidad, llamada cavidad topológica, podría permitir que los componentes láser se empaquetaran más densamente en un chip, conduciendo a tecnologías de comunicación óptica de mayor velocidad que se pueden fabricar de manera eficiente y escalable utilizando técnicas de integración fotónica.
Este artículo será publicado en línea por la revista. Ciencias el jueves, 12 de octubre 2017.
"Nuestro objetivo es superar las limitaciones fundamentales de los dispositivos ópticos y descubrir nuevos principios físicos que puedan permitir lo que antes se creía imposible, "dijo Boubacar Kanté, profesor de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego y autor principal del estudio.
En la mayoría de los láseres convencionales, la cavidad del láser debe tener una forma curva regular, típicamente un anillo, para que las ondas de luz se propaguen y permanezcan en la cavidad. Si la cavidad tiene un giro brusco, algo de esa luz se dispersa y se pierde. Esta es la razón por, por ejemplo, Las fibras ópticas no pueden tener torceduras ni dobleces.
"Cuando cambia la forma de la cavidad, cambias la forma en que la luz está confinada en esa cavidad, "dijo Babak Bahari, un doctorado en ingeniería eléctrica estudiante de UC San Diego y primer autor del artículo.
No poder cambiar la forma de la cavidad también limita la cantidad de componentes que se pueden integrar en un chip fotónico. "Si podemos deformar la forma de la cavidad, podemos colocarlo fácilmente en cualquier área de un chip sin interrumpir o mover otros componentes. Esto nos daría más libertad para diseñar componentes de chips y hacer más densos, dispositivos más potentes, "Dijo Kanté.
Ahora, Kanté, Bahari y sus colegas han introducido una forma de hacer cavidades láser de formas arbitrarias sin cambiar sus propiedades.
Crearon una estructura que consta de dos cristales fotónicos, uno rodeando el perímetro del otro. El cristal en el interior se cultiva a partir de los mismos materiales que el cristal que lo rodea, pero son lo que se conoce como topológicamente diferentes:se pueden describir como que tienen diferentes números de agujeros, como un bagel (un agujero) versus un pretzel (tres agujeros). Los cristales también exhiben una propiedad en la que ambos pueden conducir la misma longitud de onda de luz en el exterior mientras actúan como aislantes en el interior. Al juntar estos cristales, Los investigadores crearon una cavidad en la que las ondas de luz pueden propagarse en la interfaz entre los cristales.
Los investigadores llaman a esto una cavidad topológica. No es un espacio pero la frontera donde se encuentran dos materiales topológicamente diferentes, Señaló Kanté. Esta cavidad puede tener cualquier forma:triángulo, cuadrado, un bucle con bordes dentados, y la luz puede circular dentro de esa forma sin dispersarse.
Para demostrar la capacidad láser de su dispositivo, Los investigadores primero acoplaron una guía de ondas a la cavidad. Luego, energizaron los cristales con luz de un láser de alta potencia y aplicaron un campo magnético. Usando una cámara de infrarrojos, observaron que su dispositivo emitía un rayo láser de menor frecuencia a 1,55 micrómetros, una longitud de onda común para las telecomunicaciones.
Otra característica digna de mención es que este dispositivo tiene un modo láser no recíproco, lo que significa que el rayo láser solo puede viajar en una dirección. Este no es el caso de la mayoría de los láseres existentes, que necesitan un dispositivo llamado aislador para ser colocado frente a la fuente y evitar que el rayo láser regrese y potencialmente destruya la cavidad. Los aisladores suelen ser dispositivos grandes y, por lo tanto, el nuevo trabajo puede eliminar la necesidad de ellos en el futuro. Dijo Kanté.
"Esta nueva función nos permite fabricar un láser autoprotegido, "Dijo Bahari.
Avanzando el equipo espera crear un dispositivo eléctrico, lo que lo haría más práctico. Kanté también planea explorar más a fondo la física fundamental de las cavidades topológicas. Está particularmente interesado en investigar qué tan densamente se pueden empaquetar esas cavidades en un chip. Estos estudios podrían ser importantes para el procesamiento de información cuántica y podrían superar los límites fundamentales de eficiencia de los sistemas actuales. él dijo.
