Un grupo de investigadores de fotónica de la Universidad de Tampere ha introducido un método novedoso para controlar un haz de luz con otro haz a través de una metasuperficie plasmónica única en un medio lineal a una potencia ultrabaja. Este sencillo método de conmutación lineal hace que los dispositivos nanofotónicos, como los sistemas de comunicación y computación óptica, sean más sostenibles y requieran una baja intensidad de luz.

La conmutación totalmente óptica es la modulación de la luz de señal debido a la luz de control de tal manera que posee la función de conversión de encendido/apagado. En general, un rayo de luz se puede modular con otro rayo láser intenso en presencia de un medio no lineal.

El método de conmutación desarrollado por los investigadores se basa fundamentalmente en el fenómeno óptico cuántico conocido como Enhancement of Index of Refraction (EIR).

"Nuestro trabajo es la primera demostración experimental de este efecto en el sistema óptico y su utilización para la conmutación totalmente óptica lineal. La investigación también ilumina a la comunidad científica para lograr dispositivos plasmónicos con compensación de pérdidas que operen en frecuencias de resonancia a través de una mejora extraordinaria del índice de refracción sin usando cualquier medio de ganancia o procesos no lineales", dice Humeyra Caglayan, Profesora Asociada (tenure track) en Fotónica en la Universidad de Tampere.

Conmutación óptica habilitada con velocidad ultrarrápida

La conmutación de alta velocidad y el medio de baja pérdida para evitar la fuerte disipación de la señal durante la propagación son la base para desarrollar tecnología fotónica integrada donde los fotones se utilizan como portadores de información en lugar de electrones. Para realizar redes de conmutación totalmente ópticas ultrarrápidas en el chip y unidades de procesamiento central fotónicas, la conmutación totalmente óptica debe tener un tiempo de conmutación ultrarrápido, una potencia de control de umbral ultrabajo, una eficiencia de conmutación ultraalta y un tamaño de característica a nanoescala.

"Cambiar entre valores de señal de 0 y 1 es fundamental en todos los dispositivos electrónicos digitales, incluidas las computadoras y los sistemas de comunicación. En las últimas décadas, estos elementos electrónicos se han vuelto gradualmente más pequeños y más rápidos. Por ejemplo, los cálculos ordinarios realizados con nuestras computadoras en el orden de segundos no se podía hacer con computadoras viejas del tamaño de una habitación, incluso en varios días", comenta Caglayan.

En la electrónica convencional, la conmutación se basa en controlar el flujo de electrones en la escala de tiempo de un microsegundo (10 ^-6 segundo) o nanosegundo (10 ^-9 seg) rango conectando o desconectando el voltaje eléctrico.

"Sin embargo, la velocidad de conmutación se puede elevar a una escala de tiempo ultrarrápida (femtosegundos 10 ^-15 seg) reemplazando los electrones con plasmones. Los plasmones son una combinación de fotones y una colección de electrones en la superficie de los metales. Esto permite la conmutación óptica con nuestro dispositivo con femtosegundos (10 ^-15 seg) velocidades", afirma.

"Nuestro nanointerruptor plasmónico consiste en una combinación en forma de L de nanorods metálicos. Uno de los nanorods recibe una señal polarizada linealmente y el otro recibe otro haz de 'control' polarizado linealmente perpendicular al primer haz", dice el investigador postdoctoral Rakesh Dhama. , primer autor del artículo publicado en Nature Communications .

Por polarización se entiende la dirección en la que oscila el campo eléctrico del haz. El haz de control puede atenuar o amplificar la señal dependiendo de la diferencia de fase entre los haces. La diferencia de fase se refiere a la diferencia de tiempo cuando cada haz alcanza su máxima intensidad. La amplificación de la señal ocurre debido a la transferencia de algo de energía óptica desde el haz de control a la señal a través de una superposición constructiva con una diferencia de fase cuidadosamente diseñada.

Mejora del rendimiento de los dispositivos plasmónicos

De manera similar, la atenuación de la señal se logra por superposición destructiva cuando los haces tienen la diferencia de fase opuesta. Este hallazgo hace que los dispositivos nanofotónicos, como la computación óptica y los sistemas de comunicación, sean más sostenibles y requieren una baja intensidad de luz. Este simple método de conmutación lineal puede reemplazar los métodos actuales de procesamiento óptico, computación o comunicación al acelerar el desarrollo y la realización de sistemas plasmónicos a nanoescala.

"Esperamos ver más estudios de estructuras plasmónicas utilizando nuestro método de conmutación mejorado y posiblemente el uso de nuestro método en circuitos plasmónicos en el futuro. Además, la metasuperficie en forma de L podría estudiarse más a fondo para revelar una conmutación de ultra alta velocidad bajo la iluminación de pulsos de láser de femtosegundos e investigar la mejora no lineal y el control de las nanopartículas plasmónicas", señala Humeyra Caglayan.

El control de la respuesta no lineal de las nanoestructuras proporciona aplicaciones y funcionalidades aún más interesantes para los dispositivos nanofotónicos, como los sistemas de comunicación y computación óptica.

"Este enfoque también tiene el potencial de mejorar el rendimiento de los dispositivos plasmónicos mediante la creación de transparencia de banda ancha para un haz de señal sin ningún medio de ganancia. Puede abrir varias formas de diseñar elementos fotónicos inteligentes para la fotónica integrada", dice Cagalayan. + Explora más

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