Imagen de un dispositivo fabricado que muestra cuatro conjuntos de antenas en fase que consisten en nanobarras de silicio de diferentes longitudes modeladas en la superficie superior de una guía de ondas LiNbO3. Crédito:Loncar Lab / Harvard SEAS
Uno de los mayores desafíos en el desarrollo de circuitos fotónicos integrados, que utilizan luz en lugar de electrones para transportar información, es controlar el impulso de la luz. Los colores de la luz viajan a diferentes velocidades a través de un material, pero para que la luz se convierta entre colores, necesita tener el mismo impulso o fase.
Muchos dispositivos han sido diseñados para igualar el impulso o la fase de la luz en varios puntos a lo largo de un circuito integrado, pero ¿qué pasaría si el proceso de igualación de fases pudiera eludirse por completo en ciertos casos?
Investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard, junto con colaboradores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Fundación Fu en la Universidad de Columbia, han desarrollado un sistema para convertir una longitud de onda de luz en otra sin la necesidad de ajustar la fase.
La investigación fue publicada en Comunicaciones de la naturaleza .
"Para que cualquier proceso de conversión de longitud de onda sea eficiente, debe diseñarse cuidadosamente para que coincida en fases, y solo funciona en una única longitud de onda, "dijo Marko Loncar, el profesor Tiantsai Lin de Ingeniería Eléctrica en SEAS y autor principal del artículo. "Los dispositivos que se muestran en este trabajo, a diferencia de, no es necesario satisfacer el requisito de coincidencia de fases, y puede convertir la luz en una amplia gama de colores ".
El convertidor se basa en una metasuperficie, que consta de una serie de nanoestructuras de silicio, integrado en una guía de ondas de niobato de litio. La luz pasa a través de la guía de ondas, interactuando con las nanoestructuras a lo largo del camino. El conjunto de nanoestructuras actúa como una antena de televisión:recibe la señal óptica, manipulando su impulso y reemitiéndolo de nuevo en la guía de ondas.
Imagen de microscopio electrónico de barrido (SEM) del dispositivo fabricado. Crédito:Loncar Lab / Harvard SEAS
"A diferencia de la mayoría de las metasuperficies, donde la luz viaja perpendicularmente a la metasuperficie, aquí la luz interactúa con la metasuperficie mientras está confinada dentro de una guía de ondas, "dijo Cheng Wang, co-primer autor del artículo y becario postdoctoral en SEAS. "De este modo, aprovechamos tanto el control del impulso de la metasuperficie como una larga distancia de interacción ".
Los investigadores demostraron que podían duplicar la frecuencia de una longitud de onda, convertir los colores del infrarrojo cercano a rojo, con alta eficiencia en un amplio ancho de banda. En investigaciones anteriores, el equipo demostró que también podían controlar y convertir la polarización y el modo de una onda guiada utilizando una estructura similar.
"La metasuperficie integrada se distingue de otros mecanismos de coincidencia de fase en que proporciona un impulso óptico unidireccional para acoplar la energía óptica de uno a otro componente de color, mientras inhibe el proceso inverso, que es fundamental para realizar la conversión no lineal de banda ancha. "dijo Nanfang Yu, profesor asistente de física aplicada en Columbia y coautor principal del artículo. "El trabajo futuro demostrará dispositivos fotónicos integrados de banda ancha basados en metasuperficies para realizar otras funciones como la modulación óptica".
