Los investigadores del MIT han diseñado un filtro óptico en un chip que puede procesar señales ópticas de un espectro de luz extremadamente amplio a la vez. algo nunca antes disponible para los sistemas ópticos integrados que procesan datos utilizando la luz. La tecnología puede ofrecer una mayor precisión y flexibilidad para diseñar sistemas de sensores y comunicaciones ópticas, estudiar fotones y otras partículas mediante técnicas ultrarrápidas, y en otras aplicaciones.

Los filtros ópticos se utilizan para separar una fuente de luz en dos salidas independientes:una refleja longitudes de onda (o colores) no deseadas y la otra transmite las longitudes de onda deseadas. Instrumentos que requieren radiación infrarroja, por ejemplo, utilizará filtros ópticos para eliminar cualquier luz visible y obtener señales infrarrojas más limpias.

Filtros ópticos existentes, sin embargo, tienen ventajas y desventajas. Filtros de "banda ancha" discretos (fuera del chip), llamados filtros dicroicos, procesan amplias porciones del espectro de luz pero son grandes, puede ser caro y requieren muchas capas de recubrimientos ópticos que reflejan ciertas longitudes de onda. Los filtros integrados se pueden producir en grandes cantidades de forma económica, pero normalmente cubren una banda muy estrecha del espectro, muchos deben combinarse para filtrar de manera eficiente y selectiva porciones más grandes del espectro.

Investigadores del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT han diseñado el primer filtro en chip que, esencialmente, coincide con la cobertura de banda ancha y el rendimiento de precisión de los filtros voluminosos, pero se pueden fabricar utilizando métodos tradicionales de fabricación de chips de silicio.

"Este nuevo filtro toma un rango extremadamente amplio de longitudes de onda dentro de su ancho de banda como entrada y lo separa de manera eficiente en dos señales de salida, independientemente de la amplitud o longitud de onda de la entrada. Esa capacidad no existía antes en la óptica integrada, "dice Emir Salih Magden, un ex Ph.D. estudiante del Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencias de la Computación (EECS) del MIT y primer autor de un artículo que describe los filtros publicado hoy en Comunicaciones de la naturaleza .

Coautores del artículo junto con Magden, que ahora es profesor asistente de ingeniería eléctrica en la Universidad de Koç en Turquía, son:Nanxi Li, estudiante de posgrado de la Universidad de Harvard; y, del MIT, el estudiante de posgrado Manan Raval; el ex estudiante graduado Christopher V. Poulton; ex postdoctorado Alfonso Ruocco; el asociado de posdoctorado Neetesh Singh; el ex científico investigador Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, el profesor Elihu Thomson en EECS y el Departamento de Física; Leslie Kolodziejski, profesor en EECS; y Michael Watts, profesor asociado en EECS.

Dictando el flujo de luz

Los investigadores del MIT diseñaron una arquitectura de chip novedosa que imita los filtros dicroicos de muchas formas. Crearon dos secciones de guías de ondas de silicio alineadas y dimensionadas con precisión (hasta el nanómetro) que conducen diferentes longitudes de onda a diferentes salidas.

Las guías de ondas tienen secciones transversales rectangulares, típicamente hechas de un "núcleo" de material de índice alto, lo que significa que la luz viaja lentamente a través de él, rodeado por un material de índice más bajo. Cuando la luz se encuentra con los materiales de índice más alto o más bajo, tiende a rebotar hacia el material de índice más alto. Por lo tanto, en la guía de ondas la luz queda atrapada, y viaja a lo largo, el núcleo.

Los investigadores del MIT utilizan guías de ondas para guiar con precisión la entrada de luz a las salidas de señal correspondientes. Una sección del filtro de los investigadores contiene una matriz de tres guías de ondas, mientras que la otra sección contiene una guía de ondas que es un poco más ancha que cualquiera de las tres individuales.

En un dispositivo que usa el mismo material para todas las guías de ondas, la luz tiende a viajar a lo largo de la guía de ondas más ancha. Al ajustar los anchos en la matriz de tres guías de onda y los espacios entre ellos, los investigadores los hacen aparecer como una única guía de ondas más amplia, pero solo a la luz con longitudes de onda más largas. Las longitudes de onda se miden en nanómetros, y ajustar estas métricas de guía de ondas crea un "límite, "es decir, el nanómetro preciso de longitud de onda por encima del cual la luz" verá "la matriz de tres guías de onda como una sola.

En el papel, por ejemplo, los investigadores crearon una única guía de ondas que mide 318 nanómetros, y tres guías de ondas separadas que miden 250 nanómetros cada una con espacios de 100 nanómetros en el medio. Esto correspondió a un corte de alrededor de 1, 540 nanómetros, que se encuentra en la región de infrarrojos. Cuando un rayo de luz entró en el filtro, longitudes de onda que miden menos de 1, 540 nanómetros podrían detectar una guía de ondas ancha en un lado y tres guías de ondas más estrechas en el otro. Esas longitudes de onda se mueven a lo largo de la guía de ondas más ancha. Longitudes de onda superiores a 1, 540 nanómetros, sin embargo, no puede detectar espacios entre tres guías de ondas separadas. En lugar de, detectan una guía de ondas masiva más ancha que la única guía de ondas, así que muévase hacia las tres guías de ondas.

"Que estas longitudes de onda largas son incapaces de distinguir estas brechas, y verlos como una única guía de ondas, es la mitad del rompecabezas. La otra mitad está diseñando transiciones eficientes para enrutar la luz a través de estas guías de onda hacia las salidas, "Dice Magden.

El diseño también permite una caída muy brusca, medido por la precisión con la que un filtro divide una entrada cerca del límite. Si la caída es gradual, alguna señal de transmisión deseada entra en la salida no deseada. Una atenuación más aguda produce una señal más limpia filtrada con una pérdida mínima. En medidas, Los investigadores descubrieron que sus filtros ofrecen reducciones entre 10 y 70 veces más nítidas que otros filtros de banda ancha.

Como componente final, los investigadores proporcionaron pautas para los anchos y espacios exactos de las guías de onda necesarias para lograr diferentes cortes para diferentes longitudes de onda. De ese modo, los filtros son altamente personalizables para trabajar en cualquier rango de longitud de onda. "Una vez que elija qué materiales utilizar, puede determinar las dimensiones necesarias de la guía de ondas y diseñar un filtro similar para su propia plataforma, "Dice Magden.

Herramientas más afiladas

Muchos de estos filtros de banda ancha se pueden implementar dentro de un sistema para procesar de manera flexible señales de todo el espectro óptico. incluyendo dividir y combinar señales de múltiples entradas en múltiples salidas.

Esto podría allanar el camino para "peines ópticos, "una invención relativamente nueva que consiste en pulsos de luz de femtosegundos (una cuadrillonésima parte de un segundo) espaciados uniformemente de todo el espectro de luz visible, con algunas zonas de luz ultravioleta e infrarroja que abarcan, lo que da como resultado miles de líneas individuales de señales de radiofrecuencia que se asemejan a" dientes "de un peine. Los filtros ópticos de banda ancha son fundamentales para combinar diferentes partes del peine, que reduce el ruido de la señal no deseada y produce dientes de peine muy finos en longitudes de onda exactas.

Debido a que la velocidad de la luz es conocida y constante, los dientes del peine se pueden utilizar como una regla para medir la luz emitida o reflejada por objetos para diversos fines. Una nueva aplicación prometedora para los peines es la alimentación de "relojes ópticos" para satélites GPS que podrían identificar la ubicación del usuario de un teléfono celular hasta el centímetro o incluso ayudar a detectar mejor las ondas gravitacionales. El GPS funciona rastreando el tiempo que tarda una señal en viajar desde un satélite hasta el teléfono del usuario. Otras aplicaciones incluyen espectroscopia de alta precisión, habilitado por peines ópticos estables que combinan diferentes porciones del espectro óptico en un solo haz, estudiar las firmas ópticas de los átomos, iones, y otras partículas.

En estas aplicaciones y otras, es útil tener filtros que cubran una amplia, y muy diferente, porciones del espectro óptico en un dispositivo.

"Una vez que tengamos relojes realmente precisos con señales ópticas y de radiofrecuencia nítidas, puede obtener un posicionamiento y una navegación más precisos, mejor calidad del receptor, y, con espectroscopia, acceder a fenómenos que antes no podía medir, "Dice Magden.