Las fibras ópticas son nuestro sistema nervioso global, transportando terabytes de datos por todo el planeta en un abrir y cerrar de ojos.

A medida que esa información viaja a la velocidad de la luz por todo el mundo, la energía de las ondas de luz que rebotan dentro de la sílice y las fibras de polímero crean pequeñas vibraciones que conducen a paquetes de retroalimentación de ondas sonoras u acústicas, conocido como 'fonones'.

Esta retroalimentación hace que la luz se disperse, un fenómeno conocido como 'dispersión de Brillouin'.

Para la mayor parte de la industria de la electrónica y las comunicaciones, esta dispersión de luz es una molestia, reduciendo la potencia de la señal. Pero para un grupo emergente de científicos, este proceso de retroalimentación se está adaptando para desarrollar una nueva generación de circuitos integrados que prometen revolucionar nuestras redes 5G y de banda ancha. sensores, comunicación por satélite, sistemas de radar, sistemas de defensa e incluso radioastronomía.

"No es exagerado decir que hay un renacimiento de la investigación en este proceso en curso, "dijo el profesor Ben Eggleton, Director del Nano Institute de la Universidad de Sydney y coautor de un artículo de revisión publicado hoy en Fotónica de la naturaleza .

"La aplicación de esta interacción entre la luz y el sonido en un chip ofrece la oportunidad de una revolución de tercera ola en los circuitos integrados".

Los descubrimientos de la microelectrónica después de la Segunda Guerra Mundial representaron la primera ola en circuitos integrados, lo que llevó a la ubicuidad de los dispositivos electrónicos que dependen de chips de silicio, como el teléfono móvil. La segunda ola llegó a principios de este siglo con el desarrollo de sistemas electrónicos ópticos que se han convertido en la columna vertebral de enormes centros de datos en todo el mundo.

Primero electricidad luego luz. Y ahora la tercera onda es con ondas sonoras.

El profesor Eggleton es un investigador líder en el mundo que investiga cómo aplicar esta interacción fotón-fonón para resolver problemas del mundo real. Su equipo de investigación con base en Sydney Nanocience Hub y la Escuela de Física ha producido más de 70 artículos sobre el tema.

Trabajando con otros líderes mundiales en el campo, hoy ha publicado un artículo de revisión en Fotónica de la naturaleza que describe la historia y el potencial de lo que los científicos denominan "fotónica integrada de Brillouin". Sus coautores son el profesor Christopher Poulton de la Universidad de Tecnología de Sydney; El profesor Peter Rakich de la Universidad de Yale; El profesor Michael Steel de la Universidad Macquarie; y el profesor Gaurav Bahl de la Universidad de Illinois en Urbana-Champaign.

El profesor Bahl dijo:"Este artículo describe la rica física que surge de una interacción tan fundamental como la que existe entre la luz y el sonido, que se encuentra en todos los estados de la materia.

"No solo vemos inmensas aplicaciones tecnológicas, pero también la riqueza de las investigaciones científicas puras que se hacen posibles. La dispersión luminosa de la luz nos ayuda a medir las propiedades de los materiales, transformar la forma en que la luz y el sonido se mueven a través de los materiales, enfriar objetos pequeños, medir el espacio, tiempo e inercia, e incluso transportar información óptica ".

El profesor Poulton dijo:"El gran avance aquí está en el control simultáneo de las ondas de luz y sonido a escalas realmente pequeñas.

"Este tipo de control es increíblemente difícil, sobre todo porque los dos tipos de olas tienen velocidades extremadamente diferentes. Los enormes avances en la fabricación y la teoría descritos en este artículo demuestran que este problema se puede resolver, y que las poderosas interacciones entre la luz y el sonido, como la dispersión de Brillouin, ahora se pueden aprovechar en un solo chip. Esto abre la puerta a una gran cantidad de aplicaciones que conectan la óptica y la electrónica ".

El profesor Steel dijo:"Uno de los aspectos fascinantes de la tecnología integrada de Brillouin es que abarca desde descubrimientos fundamentales en las interacciones sonido-luz a nivel cuántico hasta dispositivos muy prácticos, como los filtros flexibles en las comunicaciones móviles ".

La dispersión de la luz causada por su interacción con fonones acústicos fue predicha por el físico francés Leon Brillouin en 1922.

Información de contexto

En las décadas de 1960 y 1970 se descubrió un proceso interesante en el que se podía crear un bucle de retroalimentación mejorado entre los fotones (luz) y fonones (sonido). Esto se conoce como dispersión de Brillouin estimulada (SBS).

En este proceso SBS, las ondas de luz y sonido están 'acopladas', un proceso mejorado por el hecho de que la longitud de onda de la luz y el sonido son similares, aunque sus velocidades están separadas por muchos órdenes de magnitud:la luz viaja 100, 000 veces más rápido que el sonido, lo que explica por qué ves un rayo antes de escuchar un trueno.

Pero, ¿por qué querrías aumentar el poder de este efecto de retroalimentación Brillouin?

"Administrar información en un microchip puede consumir mucha energía y producir mucho calor, "Dijo el profesor Eggleton.

"A medida que ha aumentado nuestra dependencia de los datos ópticos, el proceso de interacción de la luz con los sistemas microelectrónicos se ha vuelto problemático. El proceso SBS nos ofrece una forma completamente nueva de integrar información óptica en un entorno de chip utilizando ondas de sonido como búfer para ralentizar los datos sin el calor que producen los sistemas electrónicos.

"Más lejos, Los circuitos integrados que utilizan SBS ofrecen la oportunidad de reemplazar componentes en sistemas de vuelo y navegación que pueden ser 100 o 1000 veces más pesados. Eso no será un logro trivial ".

Reducir la complejidad

Cómo contener el proceso de interacción luz-sonido ha sido el punto de fricción, pero como el profesor Eggleton y sus colegas señalan en Fotónica de la naturaleza hoy dia, la última década ha sido testigo de enormes avances.

En 2017, los investigadores Dr. Birgit Stiller y Moritz Merklein del Grupo Eggleton de la Universidad de Sydney anunciaron la primera transferencia mundial de información de luz a acústica en un chip. Para enfatizar la diferencia entre las velocidades de la luz y el sonido, esto se describió como "almacenar relámpagos dentro del trueno".

El Dr. Amol Choudhary desarrolló aún más este trabajo en 2018, desarrollar una técnica de recuperación de información basada en chips que eliminó la necesidad de sistemas de procesamiento voluminosos.

"Se trata de reducir la complejidad de estos sistemas para que podamos desarrollar un marco conceptual general para un sistema integrado completo, "Dijo el profesor Eggleton.

Existe un interés creciente de la industria y el gobierno en el despliegue de estos sistemas.

Sydney Nano ha firmado recientemente una asociación con la Real Fuerza Aérea Australiana para trabajar con su programa Plan Jericho para revolucionar la capacidad de detección de la RAAF. Empresas como Lockheed Martin y Harris Corporation también están trabajando con Eggleton Group.

Los desafíos por delante

Hay barreras que superar antes de que este sistema integrado a escala de chip se pueda implementar comercialmente, pero la recompensa en términos de tamaño, el peso y la potencia (SWAP) valdrá la pena el esfuerzo, Dijo el profesor Eggleton.

El primer desafío es desarrollar una arquitectura que integre procesadores de microondas y radiofrecuencia con interacciones óptico-acústicas. Como muestran los resultados del Grupo Eggleton, Ha habido grandes avances para lograrlo.

Otro desafío viene con la reducción del 'ruido' (o interferencia) en el sistema causado por la dispersión de luz no deseada que deteriora la relación señal / ruido. Una propuesta es que los chips funcionen a temperaturas criogénicas cercanas al cero absoluto. Si bien esto tendría importantes implicaciones prácticas, también podría poner en juego procesos cuánticos, entregando un mayor control de la interacción fotón-fonón.

También hay una investigación en vivo sobre los materiales más apropiados sobre los cuales construir estos sistemas integrados. El silicio tiene sus atractivos obvios dado que la mayoría de la microelectrónica se construye con este abundante material.

Sin embargo, la sílice utilizada en las fibras ópticas cuando se acopla con el sustrato de silicio significa que la información puede filtrarse dada la similitud de los materiales.

Encontrar materiales que sean lo suficientemente elásticos e inelásticos para contener la luz y las ondas sonoras mientras les permite interactuar es una vía sugerida. Algunos grupos de investigación utilizan calcogenuro, un sustrato de vidrio blando con un alto índice de refracción y baja rigidez que puede confinar las ondas ópticas y elásticas.

Coautor de la revisión, Profesor Steel de la Universidad Macquarie, dijo:"En esta etapa, todos los sistemas materiales tienen sus puntos fuertes y débiles, y esta es todavía un área de investigación fructífera.

El profesor Eggleton dijo:"Este nuevo paradigma en el procesamiento de señales utilizando ondas de luz y ondas de sonido abre nuevas oportunidades para la investigación fundamental y los avances tecnológicos".