Circuitos fotónicos integrados, que dependen de la luz en lugar de los electrones para mover la información, prometen revolucionar las comunicaciones, detección y procesamiento de datos. Pero controlar y mover la luz plantea serios desafíos. Un obstáculo importante es que la luz viaja a diferentes velocidades y en diferentes fases en diferentes componentes de un circuito integrado. Para que la luz se acople entre los componentes ópticos, necesita moverse al mismo ritmo.

Ahora, un equipo de investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard, en colaboración con la Universidad de Pekín en Beijing, ha demostrado una nueva forma de controlar el impulso de la luz de banda ancha en un componente óptico ampliamente utilizado conocido como microcavidad de galería susurrante (WGM).

El papel, cuyos coautores también incluyen investigadores de la Universidad de Washington en Saint Louis, el Instituto de Tecnología de California, y la Universidad de Magdeburgo, se publica en Ciencias .

"El caos óptico de banda ancha en la microcavidad está creando una herramienta universal para acceder a muchos estados ópticos, "dijo Linbo Shao, un estudiante de posgrado en el laboratorio de Marko Loncar, el Profesor Tiantsai Lin de Ingeniería Eléctrica, en SEAS y co-primer autor del artículo. "Previamente, los investigadores necesitan múltiples elementos ópticos especiales para acoplar la luz dentro y fuera de los WGM en diferentes longitudes de onda, pero con este trabajo podemos acoplar todas las luces de color con un solo acoplador óptico ".

Un WGM es un tipo de microrresonador óptico que se utiliza en una amplia variedad de aplicaciones, desde la transmisión de largo alcance en fibras ópticas hasta la computación cuántica. Los WGM llevan el nombre de las susurrantes galerías de la Catedral de St. Paul en Londres, donde una onda acústica (un susurro) circula dentro de una cavidad (la cúpula) desde un altavoz en un lado hasta un oyente en el otro. El fenómeno similar ocurre en el Echo Wall en el Templo del Cielo en China y en el arco susurrante en la Grand Central Station en la ciudad de Nueva York.

Las galerías de susurros ópticos funcionan de la misma manera. Ondas de luz atrapadas en un espacio altamente confinado, el espacio circular, más pequeño que un mechón de cabello, orbita alrededor del interior de la cavidad. Como la pared susurrante la cavidad atrapa y transporta la ola.

Sin embargo, es difícil acoplar los campos ópticos de las guías de ondas a los campos ópticos en las galerías susurrantes en los circuitos fotónicos porque las ondas viajan a diferentes velocidades.

Piense en un WGM como una rotonda de autopista y los campos ópticos como camiones UPS. Ahora, imagínese tratando de transferir un paquete entre dos camiones mientras ambos se mueven a diferentes velocidades. Imposible, ¿Derecha?

Para resolver esta diferencia de impulso, sin romper la ley de Newton de la conservación del impulso, el equipo de investigación creó un pequeño caos. Al deformar la forma del microrresonador óptico, los investigadores pudieron crear y aprovechar los llamados canales caóticos, en el que el momento angular de la luz no se conserva y puede cambiar con el tiempo. Alternando la forma del resonador, el impulso se puede ajustar; el resonador puede diseñarse para igualar el impulso entre las guías de onda y los WGM. En tono rimbombante, el acoplamiento es de banda ancha y se produce entre estados ópticos que de otro modo no se acoplarían.

La investigación proporciona nuevas aplicaciones para la óptica y la fotónica de microcavidades en el procesamiento óptico cuántico, almacenamiento óptico y más.

"El trabajo ilustra un enfoque fundamentalmente diferente para sondear esta importante clase de microrresonadores y, al mismo tiempo, revela una hermosa física relacionada con el tema del caos óptico, "dijo Kerry Vahala, el profesor Ted and Ginger Jenkins de ciencia y tecnología de la información y profesor de física aplicada en Cal Tech, que no participó en esta investigación.

Próximo, el equipo explorará la física del caos óptico en otras plataformas y materiales ópticos, incluyendo cristales fotónicos y diamantes.