La última vez que hablamos con Kerry Vahala de Caltech hace tres años, su laboratorio había informado recientemente sobre el desarrollo de un nuevo dispositivo óptico llamado micropeine de frecuencia llave en mano que tiene aplicaciones en comunicaciones digitales, cronometraje de precisión, espectroscopia e incluso astronomía.
Este dispositivo, fabricado en una oblea de silicio, toma luz láser de entrada de una frecuencia y la convierte en un conjunto uniformemente espaciado de muchas frecuencias distintas que forman un tren de pulsos cuya longitud puede ser tan corta como 100 femtosegundos (cuatrimillonésimas de segundo). (El peine en el nombre proviene de que las frecuencias están espaciadas como los dientes de un peine).
Ahora Vahala, profesor Ted y Ginger Jenkins de ciencias de la información y tecnología y física aplicada de Caltech y director ejecutivo de física aplicada y ciencia de materiales, junto con miembros de su grupo de investigación y el grupo de John Bowers en UC Santa Barbara, han logrado un gran avance en la forma en que se forman los pulsos cortos en un nuevo material importante llamado nitruro de silicio de pérdida ultrabaja (nitruro ULL), un compuesto formado de silicio y nitrógeno. El nitruro de silicio se prepara para que sea extremadamente puro y se deposite en una fina película.
En principio, los dispositivos de micropeine de pulso corto fabricados con este material requerirían muy poca energía para funcionar. Desafortunadamente, los pulsos de luz cortos (llamados solitones) no se pueden generar adecuadamente en este material debido a una propiedad llamada dispersión, que hace que la luz u otras ondas electromagnéticas viajen a diferentes velocidades, dependiendo de su frecuencia. ULL tiene lo que se conoce como dispersión normal, y esto evita que las guías de ondas hechas de nitruro ULL soporten los pulsos cortos necesarios para el funcionamiento del micropeine.
En un artículo que aparece en Nature Photonics , los investigadores analizan el desarrollo del nuevo micropeine, que supera las limitaciones ópticas inherentes del nitruro ULL generando pulsos en pares. Este es un avance significativo porque el nitruro ULL se crea con la misma tecnología utilizada para fabricar chips de computadora. Este tipo de técnica de fabricación significa que estos micropeines algún día podrían integrarse en una amplia variedad de dispositivos portátiles similares en forma a los teléfonos inteligentes.
La característica más distintiva de un micropeine común es un pequeño bucle óptico que se parece un poco a una pequeña pista de carreras. Durante el funcionamiento, los solitones se forman y circulan automáticamente a su alrededor.
"Sin embargo, cuando este bucle está hecho de nitruro ULL, la dispersión desestabiliza los pulsos de solitón", afirma el coautor Zhiquan Yuan, estudiante de posgrado en física aplicada.
Imagine el circuito como una pista de carreras con coches. Si algunos autos viajan más rápido y otros más lento, entonces se dispersarán mientras rodean la pista en lugar de permanecer como un grupo apretado. De manera similar, la dispersión normal de ULL significa que los pulsos de luz se dispersan en las guías de ondas del micropeine y el micropeine deja de funcionar.
La solución ideada por el equipo fue crear múltiples pistas de carreras, emparejándolas para que parecieran un poco como una figura de ocho. En medio de ese '8", las dos pistas corren paralelas entre sí con solo un pequeño espacio entre ellas.
Si continuamos con la analogía de la pista de carreras, esto sería como dos pistas que comparten una al mismo tiempo. Cuando los coches de cada pista convergen en esa sección compartida, se encuentran con algo parecido a un atasco. Así como dos carriles de tráfico que se fusionan en uno en una autopista obligan a los automóviles a reducir la velocidad, la sección unida de los dos micropeines obliga a los pulsos láser emparejados a agruparse. Esta acumulación contrarresta la tendencia de los pulsos a extenderse y permite que los micropeines funcionen correctamente.
"En efecto, esto contrarresta la dispersión normal y le da al sistema compuesto general el equivalente a una dispersión anómala", dice el estudiante graduado y coautor Maodong Gao.
La idea se amplía cuando se añaden aún más pistas de carreras, y el equipo ha demostrado cómo funcionarán también tres pistas de carreras creando dos conjuntos de pares de pulsos. Vahala cree que el fenómeno seguirá funcionando incluso con muchas pistas de carreras acopladas (micropeines), ofreciendo así una forma de crear grandes conjuntos de circuitos fotónicos para los pulsos de solitones.
Como se señaló anteriormente, estos micropeines ULL se fabrican con el mismo equipo utilizado para fabricar chips de computadora basados en tecnología complementaria de semiconductores de óxido metálico (CMOS). Bowers, profesor de ingeniería eléctrica e informática, colaboró en la investigación y señala que "la escalabilidad de fabricación del proceso CMOS significa que ahora será más fácil y económico fabricar micropeines de pulso corto e integrarlos en tecnologías y aplicaciones existentes". ."
Con respecto a estas aplicaciones, Vahala dice que "un peine es como una navaja suiza para la óptica. Tiene muchas funciones diferentes y por eso es una herramienta tan poderosa".
El artículo que describe la investigación, "Pares de pulsos de Soliton en múltiples colores en microresonadores de dispersión normal", aparece en la edición de noviembre de Nature Photonics. .
Más información: Zhiquan Yuan et al, pares de pulsos de Soliton en múltiples colores en microresonadores de dispersión normal, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01257-2
Información de la revista: Fotónica de la naturaleza
Proporcionado por el Instituto de Tecnología de California
