La era digital ha visto la electrónica, incluyendo chips de computadora, encogerse de tamaño a un ritmo asombroso, con chips cada vez más pequeños que alimentan dispositivos como teléfonos inteligentes, portátiles e incluso drones autónomos. A raíz de este progreso, otra tecnología en miniatura ha ido ganando impulso:la fotónica integrada.

Fotones, que son las partículas cuánticas de luz, tienen algunas ventajas sobre los electrones, los homónimos de la electrónica. Para algunas aplicaciones, los fotones ofrecen una transferencia de información más rápida y precisa y utilizan menos energía que los electrones. Y debido a que la fotónica en chip se construye en gran medida utilizando la misma tecnología creada para la industria electrónica, llevan la promesa de integrar electrónica y fotónica en el mismo chip.

Ya se han adoptado pequeños chips fotónicos en muchos lugares, incluidas las redes de telecomunicaciones (piense en Internet de fibra óptica) y los grandes centros de datos (piense en la interfaz de fibra óptica con la electrónica). Otras industrias están al borde de beneficiarse de la fotónica, con los fabricantes de automóviles autónomos que desarrollan chips de radar basados ​​en la luz. Sin embargo, muchas herramientas que están bien establecidas en la óptica tradicional, cosas que usan láseres, lentes y otros equipos voluminosos:todavía no tienen un análogo fotónico compacto. Para herramientas futuristas como computadoras cuánticas basadas en luz o relojes ópticos portátiles, Queda más trabajo para empaquetar todo junto.

Ahora, Los investigadores de JQI han agregado una nueva herramienta al conjunto de herramientas de fotónica:una forma de usar silicio, el material nativo de gran parte de la electrónica digital y la fotónica, para duplicar eficientemente la frecuencia de la luz láser. Combinando dos técnicas existentes, el equipo logró una eficiencia de duplicación de frecuencia 100 veces mayor que los experimentos anteriores con compuestos de silicio. Detallaron sus resultados en un artículo publicado en la revista. Fotónica de la naturaleza .

Las ondas de luz están formadas por fotones, pero también tienen una frecuencia. Nuestros ojos ven una pequeña fracción de estas frecuencias como los colores del arco iris, pero microondas, Los rayos X y las ondas de radio (entre otros) también habitan este espectro. Duplicar la frecuencia de la luz es una forma de convertir entre estos diferentes rangos. En el nuevo trabajo el equipo demostró una duplicación de la luz infrarroja, comúnmente utilizada en las telecomunicaciones ópticas, a la luz roja, el lenguaje de los relojes atómicos muy precisos.

La duplicación de frecuencia es un efecto que puede ocurrir cuando la luz interactúa con el medio por el que viaja, sea ​​aire, agua o silicona. Dependiendo de las propiedades de estos materiales, un poco de luz se puede duplicar, triplicado o, en casos extremos, multiplicado a grados aún más altos, como una nota musical también generando un poco de sonido uno, dos, o varias octavas arriba. Al elegir el material adecuado, e iluminarlo de la manera correcta, los investigadores pueden llegar al armónico que necesitan.

Desafortunadamente, silicio y compuestos de silicio, los materiales de elección para dirigir la luz en un chip debido a la madurez de la fabricación de silicio y la facilidad de integración con la electrónica, no admiten intrínsecamente la duplicación de frecuencia. La estructura cristalina es demasiado uniforme, lo que significa que se ve igual en todas las direcciones. Esto prohíbe el efecto de duplicación, que depende de que los electrones del material se muevan de una manera más que de otra bajo la influencia de la luz. Pero una vez que la luz se limita a un pequeño rastro en un chip, las cosas se vuelven un poco menos uniformes:después de todo, el aire siempre está cerca, y no se parece en nada a un cristal de silicio. Entonces, se genera una pequeña cantidad de luz duplicada en frecuencia, pero normalmente no basta con ser útil.

En el nuevo trabajo un equipo dirigido por JQI Fellow Kartik Srinivasan, un miembro del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), e investigador postdoctoral de NIST y UMD Xiyuan Lu, combinó dos técnicas previamente exploradas para aprovechar este pequeño efecto, generando 100 veces más luz duplicada en frecuencia que cualquier experimento de silicio anterior. Adicionalmente, su duplicación ocurrió con una eficiencia del 22%, lo suficientemente apreciable como para ser útil en aplicaciones.

El primer truco fue capturar la luz en un resonador, haciendo que la luz dé vueltas y vueltas y active el pequeño efecto de duplicación una y otra vez. Lograr esto, los investigadores primero enrutaron la luz láser del infrarrojo cercano a una fibra óptica. Luego, la fibra disparó la luz hacia una guía de ondas de nitruro de silicio impresa en un chip de silicio. Esta guía de ondas llevó a otra guía de ondas, que estaba envuelto en un círculo de tan solo 23 micrones de diámetro. El resonador circular, que fue diseñado para capturar la luz entrante y hacerla circular, permitió que una pequeña duplicación de frecuencia ocurriera una y otra vez. Otra guía de ondas recta en el otro borde del resonador, fue sintonizado para llevarse la luz de frecuencia duplicada.

El segundo truco consistía en hacer que el silicio fuera menos uniforme polarizándolo con un campo eléctrico. Afortunadamente, en realidad no se necesitaba ningún campo externo:la pequeña cantidad de luz duplicada por frecuencia, combinado con la luz de la bomba de infrarrojos original, hizo que los electrones en el resonador se reunieran en los bordes, creando un campo eléctrico constante. Este campo mejoró en gran medida la capacidad de duplicación de frecuencia del nitruro de silicio.

"Es un proceso de retroalimentación, "dice Srinivasan, "porque un poco de luz duplicada de frecuencia y la luz de bombeo comienzan a crear el campo eléctrico constante, fortaleciendo el proceso de duplicación de frecuencia, lo que a su vez crea más luz de doble frecuencia. Entonces, tanto la luz de la bomba como la luz de frecuencia duplicada están circulando en este anillo, y existe esta gran capacidad para tomar esta cosa que comenzó como extremadamente débil, y luego convertirlo en un efecto bastante fuerte ".

Conseguir que ambos efectos funcionen en el mismo dispositivo no fue fácil. El anillo resonador no solo debe tener exactamente el tamaño correcto para atrapar la bomba y la luz de frecuencia duplicada, la luz también debe apilarse correctamente en el resonador. Lograr esto, Se necesitan simulaciones detalladas y una fabricación precisa en una sala limpia. Pero una vez que se fabrica un dispositivo tan preciso, todo lo que necesitas hacer es enviar la luz de la bomba, y observe la frecuencia duplicada de la luz en la salida.

"Para permitir una interacción eficiente entre la luz y el material, la luz de diferentes colores tiene que vivir mucho tiempo y también moverse exactamente a la misma velocidad, "dice Lu, "Nuestro dispositivo implementa estos dos factores clave en la duplicación de frecuencia fotoinducida, lo que aumenta significativamente la eficiencia energética de este proceso ".

Este dispositivo es un paso más en una larga búsqueda para lograr un dispositivo portátil, reloj atómico ultrapreciso. "Estos relojes ópticos son estos asombrosos dispositivos de cronometraje, pero normalmente están en un gran laboratorio "dice Srinivasan." Si pudiera estar en un paquete pequeño, podría ir en automóviles, drones u otros vehículos. El tiempo es la base de muchas aplicaciones de navegación importantes, y en su mayor parte, ahora, la gente confía en las señales de GPS. Pero hay todo tipo de posibilidades de que haya algo en el camino, y no puedes adquirir esas señales, o alguien falsifica la señal. Entonces, tener instrumentos de cronometraje portátiles que realmente podrían brindarle un tiempo exacto y preciso durante largos períodos antes de que necesite una señal de sincronización del GPS es significativo ".

Aunque no es la estrella del espectáculo, La duplicación de frecuencia es un componente necesario en los relojes atómicos ópticos. Estos relojes producen un ritmo extremadamente regular, pero a frecuencias ópticas:cientos de billones de oscilaciones de campo de luz por segundo. La electrónica convencional no puede interactuar con esa señal directamente, así que para reducir esta precisión a una frecuencia inteligible (meros miles de millones de oscilaciones por segundo), los científicos utilizan peines de frecuencia:fuentes láser con "dientes" de frecuencia a intervalos perfectamente regulares, un invento que ganó el Premio Nobel de Física en 2005.

Ser útil, Estos peines de frecuencia deben calibrarse; cada diente del peine debe etiquetarse con un valor de frecuencia específico. La forma más simple y común de calibrarlos es tomar el diente más bajo del peine, frecuencia el doble, y comparar con el diente más alto:esto da la frecuencia del diente más bajo. Junto con una simple medición del espacio entre dientes, los científicos pueden usar esto para deducir la frecuencia exacta de cada diente.

Recientemente, varias piezas de los relojes atómicos en chip, incluyendo diminutas células de vapor atómico y peines de frecuencia en chip, se han logrado en fotónica basada en silicio. Sin embargo, la calibración de duplicación de frecuencia se realizó previamente con ópticas voluminosas o utilizando materiales que son menos compatibles con el silicio. "Al menos conceptualmente, "dice Srinivasan, "Estamos un paso más cerca de un peine de frecuencia calibrado en un paquete realmente compacto. Aún queda trabajo por hacer para poder realmente combinar estas cosas, pero estamos más cerca de un reloj atómico óptico compacto que antes ".