Por primera vez, Los investigadores han utilizado pequeños engranajes hechos de germanio para generar un vórtice de luz retorcida que gira alrededor de su eje de viaje como un sacacorchos. Debido a que el germanio es compatible con el silicio utilizado para fabricar chips de computadora, la nueva fuente de luz podría usarse para aumentar la cantidad de datos que se pueden transmitir con la informática y la comunicación ópticas basadas en chips.

Los investigadores, de la Universidad de Southampton en el Reino Unido, y la Universidad de Tokio, Universidad de Tecnología de Toyohashi e Hitachi Ltd., todo en japón, describir los nuevos engranajes emisores de luz en la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express . Con un radio de una micra o menos, 250, 000 de los engranajes podrían empaquetarse en un solo milímetro cuadrado de un chip de computadora.

Hay mucho interés en generar luz retorcida, o tiene momento angular orbital, por sus ventajas para las comunicaciones y la informática. Hoy dia, la luz se utiliza para transportar información variando el número de fotones emitidos o cambiando entre los dos estados de polarización de la luz. Con luz retorcida cada giro puede representar un valor o letra diferente, permitiendo la codificación de mucha más información usando menos luz.

"Nuestros nuevos microengranajes tienen el potencial de un láser que se puede integrar en un sustrato de silicio, el último componente necesario para crear un circuito óptico integrado en una computadora, "dijo el primer autor del artículo, Abdelrahman Al-Attili, de la Universidad de Southampton. "Estos diminutos circuitos de base óptica utilizan luz retorcida para transmitir grandes cantidades de datos".

Usar tensión para mejorar la emisión de luz

Ha sido imposible hacer una fuente de luz miniaturizada utilizable en silicio, el material comúnmente utilizado para fabricar chips de computadora y componentes asociados, porque las propiedades del material condujeron a una pobre eficiencia de generación de luz. Aunque el germanio tiene limitaciones similares, la aplicación de tensión estirándola puede mejorar su eficiencia de emisión de luz.

"Previamente, la tensión que se podía aplicar al germanio no era lo suficientemente grande como para crear luz de manera eficiente sin degradar el material, ", dijo Al-Attili." Nuestro nuevo diseño de microengranajes ayuda a superar este desafío ".

El nuevo diseño presenta microengranajes independientes en los bordes para que puedan estirarse mediante una película de óxido depositada sobre las estructuras. Esto permite aplicar tensión de tracción sin romper la estructura cristalina del germanio. Los engranajes se colocan sobre un pedestal de silicio que lo conecta a la parte superior del sustrato de silicio y permite que el calor se disipe durante el funcionamiento.

Para demostrar su nuevo diseño, los investigadores utilizaron la litografía por haz de electrones para fabricar las características físicas muy finas que forman los dientes de los engranajes. Luego iluminaron los engranajes con un láser verde estándar que no emitía luz torcida. Después de que el microengranaje absorbió la luz verde, genera sus propios fotones que circulan alrededor de los bordes formando una luz retorcida que se refleja verticalmente fuera del engranaje por los dientes periódicos.

Simulaciones ópticas de precisión

Los investigadores probaron y ajustaron su diseño utilizando simulaciones por computadora que modelan la forma en que la luz se propaga en los engranajes durante nanosegundos o incluso períodos de tiempo más cortos. Al comparar la emisión de luz del prototipo con los resultados de la simulación por computadora, pudieron confirmar que los engranajes generaban luz retorcida.

"Podemos diseñar con precisión nuestro dispositivo para controlar el número de rotaciones por longitud de onda de propagación y la longitud de onda de la luz emitida, "dijo Al-Attili.

Los investigadores ahora están trabajando para mejorar aún más la eficiencia de la emisión de luz de los microengranajes de germanio. Si tiene éxito, esta tecnología permitiría integrar miles de láseres en un chip de silicio para transmitir información.

"Las tecnologías de fabricación de silicio que se desarrollaron para fabricar dispositivos electrónicos ahora se pueden aplicar para fabricar varios dispositivos ópticos, ", dijo Al-Attili." Nuestros microengranajes son solo un ejemplo de cómo se pueden utilizar estas capacidades para fabricar dispositivos a nano y microescala ".