Investigadores de Stanford han presentado un nuevo tipo de peine de frecuencia, un dispositivo de medición de alta precisión, que es innovadoramente pequeño, ultra eficiente desde el punto de vista energético y excepcionalmente preciso. Con un desarrollo continuo, este innovador "micropeine", que se detalla en un estudio publicado el 7 de marzo en Nature —podría ser la base para la adopción masiva de estos dispositivos en la electrónica cotidiana.
Los peines de frecuencia son láseres especializados que generan líneas de luz uniformemente espaciadas, similares a los dientes de un peine o, más acertadamente, a las marcas de una regla. En aproximadamente un cuarto de siglo desde su desarrollo, estas "reglas para la luz" han revolucionado muchos tipos de mediciones de alta precisión, desde el cronometraje hasta la detección molecular mediante espectroscopia. Sin embargo, debido a que los peines de frecuencia requieren equipos voluminosos, costosos y que consumen mucha energía, su implementación se ha limitado en gran medida a entornos de laboratorio.
Los investigadores descubrieron una solución alternativa para estos problemas integrando dos enfoques diferentes para miniaturizar los peines de frecuencia en una plataforma estilo microchip sencilla y fácilmente producible. Entre las muchas aplicaciones que los investigadores imaginan para su tecnología versátil se encuentran potentes dispositivos portátiles de diagnóstico médico y sensores generalizados de monitoreo de gases de efecto invernadero.
"La estructura de nuestro peine de frecuencia reúne los mejores elementos de la tecnología emergente de micropeines en un solo dispositivo", dijo Hubert Stokowski, investigador postdoctoral en el laboratorio de Amir Safavi-Naeini y autor principal del estudio. "Potencialmente podemos escalar nuestro nuevo micropeine de frecuencia para dispositivos compactos, de bajo consumo y económicos que se pueden implementar casi en cualquier lugar".
"Estamos muy entusiasmados con esta nueva tecnología de micropeine que hemos demostrado para nuevos tipos de sensores de precisión que son lo suficientemente pequeños y eficientes como para estar en el teléfono de alguien algún día", dijo Safavi-Naeini, profesor asociado en el Departamento de Física Aplicada. en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford y autor principal del estudio.
Este nuevo dispositivo se llama oscilador paramétrico óptico integrado de frecuencia modulada o FM-OPO.
El complejo nombre de la herramienta indica que combina dos estrategias para crear el rango de frecuencias distintas, o colores de luz, que constituyen un peine de frecuencias. Una estrategia, llamada oscilación óptica paramétrica, implica hacer rebotar rayos de luz láser dentro de un medio cristalino, donde la luz generada se organiza en pulsos de ondas coherentes y estables.
La segunda estrategia se centra en enviar luz láser a una cavidad y luego modular la fase de la luz (lo que se logra aplicando señales de radiofrecuencia al dispositivo) para, en última instancia, producir repeticiones de frecuencia que actúan de manera similar como pulsos de luz.
Estas dos estrategias para los micropeines no se han utilizado ampliamente porque ambas tienen inconvenientes. Estos problemas incluyen ineficiencia energética, capacidad limitada para ajustar los parámetros ópticos y un "ancho de banda óptico" del peine subóptimo donde las líneas en forma de peine se desvanecen a medida que aumenta la distancia desde el centro del peine.
Los investigadores abordaron el desafío de nuevo a través de su trabajo en una plataforma de circuito óptico muy prometedora basada en un material llamado niobato de litio de película delgada. El material tiene propiedades ventajosas en comparación con el silicio, el material estándar de la industria. Dos de estas propiedades útiles son la "no linealidad" (permite que haces de luz de diferentes colores interactúen entre sí para generar nuevos colores o longitudes de onda) y una amplia gama de longitudes de onda de luz pueden atravesarlo.
Los investigadores diseñaron los componentes centrales del nuevo peine de frecuencia utilizando fotónica de niobato de litio integrada. Estas tecnologías de manipulación de la luz se basan en avances en el campo relacionado y más establecido de la fotónica de silicio, que implica la fabricación de circuitos integrados ópticos y electrónicos en microchips de silicio. De esta manera, el niobato de litio y la fotónica de silicio han ampliado los semiconductores de los chips de ordenador convencionales, cuyas raíces se remontan a los años cincuenta.
"El niobato de litio tiene ciertas propiedades que el silicio no tiene, y no podríamos haber fabricado nuestro dispositivo de micropeine sin él", afirmó Safavi-Naeini.
A continuación, los investigadores reunieron elementos de estrategias de amplificación paramétrica óptica y de modulación de fase. El equipo esperaba ciertas características de rendimiento del nuevo sistema de peine de frecuencia en chips de niobato de litio, pero lo que vieron resultó ser mucho mejor de lo que esperaban.
En general, el peine produjo una salida continua en lugar de pulsos de luz, lo que permitió a los investigadores reducir la potencia de entrada requerida en aproximadamente un orden de magnitud. El dispositivo también produjo un peine convenientemente "plano", lo que significa que las líneas del peine más alejadas en longitud de onda del centro del espectro no perdieron intensidad, ofreciendo así mayor precisión y mayor utilidad en aplicaciones de medición.
"Este peine nos sorprendió mucho", dijo Safavi-Naeini. "Aunque teníamos cierta intuición de que obtendríamos comportamientos similares a los de un peine, en realidad no estábamos tratando de hacer exactamente este tipo de peine, y nos llevó algunos meses desarrollar las simulaciones y la teoría que explicaban sus principales propiedades". /P>
Para obtener más información sobre su dispositivo de rendimiento excesivo, los investigadores recurrieron a Martin Fejer, profesor de física J. G. Jackson y C. J. Wood y profesor de física aplicada en Stanford. Junto con otros colegas de Stanford, Fejer ha ayudado a avanzar en las tecnologías fotónicas modernas de niobato de litio de película delgada y en la comprensión de las propiedades cristalinas del material.
Fejer, que también es coautor del estudio, estableció la conexión clave entre los principios físicos que subyacen al micropeine y las ideas discutidas en la literatura científica de la década de 1970, en particular los conceptos de los que fue pionero Stephen Harris, profesor emérito de física aplicada e ingeniería eléctrica en Stanford.
Los nuevos micropeines, con un mayor perfeccionamiento, deberían poder fabricarse fácilmente en fundiciones de microchips convencionales con muchas aplicaciones prácticas como detección, espectroscopia, diagnóstico médico, comunicaciones por fibra óptica y dispositivos portátiles de seguimiento de la salud.
"Nuestro chip microcomb se puede colocar en cualquier cosa, y el tamaño del dispositivo depende del tamaño de la batería", dijo Stokowski. "La tecnología que hemos demostrado podría integrarse en un dispositivo personal de bajo consumo, del tamaño de un teléfono o incluso más pequeño, y servir para todo tipo de propósitos útiles".
Más información: Amir Safavi-Naeini, oscilador paramétrico óptico integrado de frecuencia modulada, Naturaleza (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07071-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2
Información de la revista: Naturaleza
Proporcionado por la Universidad de Stanford
