Los peines de frecuencia se están convirtiendo en una de las grandes tecnologías habilitadoras del siglo XXI. Relojes atómicos de alta precisión, y la espectroscopia de alta precisión son solo dos tecnologías que se han beneficiado del desarrollo de peines de frecuencia de alta precisión. Sin embargo, las fuentes de peine de frecuencia originales requerían una sala llena de equipos. Y resulta que si sugieres que una habitación llena de equipos delicados es perfecta para una aplicación comercial, el ingeniero de desarrollo se dirige directamente a la salida más cercana.

Estas desventajas se resolverían creando dispositivos basados ​​en chips que sean lo suficientemente robustos para soportar los rigores del uso diario. Para hacer eso, los científicos tienen que equilibrar las propiedades de los materiales con el comportamiento de la luz en una guía de ondas. Este equilibrio es más fácil de diseñar en vidrio, mientras que para aplicaciones e integración con dispositivos existentes, sería mejor usar silicona.

Es difícil hacer peines de frecuencia muy amplia a partir de guías de ondas de silicio, pero la ingeniosa ingeniería de guías de ondas puede estar a punto de facilitar un poco esa tarea. Zhang y colegas, reportando en Fotónica avanzada , han mostrado una forma de hacer una guía de ondas de índice graduado que permite que el ancho de un peine de frecuencia sea más del doble (en comparación con una guía de ondas normal).

¿Alineación de picos para un peine más ancho?

Un peine de frecuencia es un espectro de luz que consta de muchas frecuencias muy definidas que están igualmente espaciadas. Un espectro de potencia se parece más a un peine, de ahí el nombre.

La generación de peines de frecuencia es un delicado equilibrio entre las propiedades del material que permiten que la luz genere nuevos colores de luz (lo que se conoce como no linealidad óptica), la configuración del camino que sigue la luz (el resonador óptico), y la dispersión (cómo varía la velocidad de la luz con la longitud de onda en el material). El último artículo, dispersión, suele ser el asesino, y aquí es donde se centra el trabajo de Zhang y sus colegas. Para generar un peine de frecuencia muy amplio, los colores que componen el peine deben estar todos en sintonía entre sí. Dicho de manera concreta:si dos ondas en un punto tienen sus picos alineados, luego, en algún punto más adelante en el espacio y el tiempo, esos picos aún deberían alinearse. Pero, ordinariamente, esto nunca pasa, y los picos se deslizan unos sobre otros, evitando que se generen nuevas frecuencias.

Ingeniería al rescate

Para compensar la dispersión del material, los investigadores suelen recurrir a la ingeniería de guías de ondas. Dado que las guías de ondas están hechas de materiales, tienen dispersión, y el confinamiento de la propia guía de ondas introduce otro tipo de dispersión. Esta dispersión depende de la forma de la guía de ondas, las dimensiones, así como los materiales que se utilizan. Esto permite a los ingenieros contrarrestar la dispersión del material a través de su diseño de guía de ondas.

Pero, este es un trabajo duro en silicio. El núcleo de silicio tiene un gran índice de refracción en comparación con el revestimiento de vidrio. La gran diferencia entre los dos crea una fuerte dispersión que compensa en exceso la dispersión del material.

La idea de Zhang y sus colegas es que la interfaz entre el revestimiento de vidrio y el núcleo de silicio no tiene que ser nítida. Han diseñado una guía de ondas que tiene un núcleo de silicio con una estructura de espina de pescado que se extiende hacia afuera en el revestimiento de vidrio. El índice de refracción efectivo en la región mixta es el promedio del vidrio y el silicio, que cambia gradualmente de silicio a vidrio:una guía de ondas de índice graduado.

En el índice calificado, los colores rojos se extienden para ocupar un área más amplia de la guía de ondas, mientras que los colores más azules están más restringidos. El efecto neto es que las diferentes longitudes de onda se comportan como si estuvieran viajando en guías de onda de diferente ancho, mientras viajan juntos en la misma guía de ondas. Los investigadores se refieren a este efecto como un límite autoadaptativo. Exploraron diferentes configuraciones para la estructura de espina de pescado. Cada configuración aumentó el rango de longitud de onda en el que la dispersión era pequeña.

Para confirmar que sus guías de onda de índice graduado darían como resultado mejores peines de frecuencia, el equipo modeló la generación de peines de frecuencia en guías de ondas de índice estándar y graduado. Demostraron que el espectro de frecuencia se extendió de aproximadamente 20 THz a aproximadamente 44 THz.

Enciende la luz

Hasta ahora, los investigadores solo han calculado y modelado sus estructuras. Sin embargo, todas las estructuras propuestas se han elegido teniendo en cuenta la fabricación, así que una vez que obtengan sus trajes de conejito, los dispositivos de prueba deberían estar en camino. Entonces, los peines de frecuencia de silicio realmente pueden pavonearse. Un buen ejemplo:el silicio es transparente en una amplia gama de infrarrojos, que es también el rango de longitud de onda necesario para la identificación espectroscópica de moléculas. Un peine de frecuencia basado en chips permitirá espectrómetros compactos de alta precisión y alta sensibilidad.