Un equipo de investigadores de Columbia Engineering, dirigido por el profesor asistente de física aplicada Nanfang Yu, ha inventado un método para controlar la propagación de la luz en vías confinadas, o guías de ondas, con alta eficiencia mediante el uso de nano antenas. Para demostrar esta técnica, construyeron dispositivos fotónicos integrados que no solo tenían un tamaño récord, sino que también eran capaces de mantener un rendimiento óptimo en un amplio rango de longitudes de onda sin precedentes.

Los circuitos integrados fotónicos (CI) se basan en la propagación de la luz en guías de ondas ópticas, y controlar dicha propagación de la luz es un tema central en la construcción de estos chips, que utilizan luz en lugar de electrones para transportar datos. El método de Yu podría conducir a mas poderoso, y chips ópticos más eficientes, que a su vez podría transformar las comunicaciones ópticas y el procesamiento de señales ópticas. El estudio se publica en línea en Nanotecnología de la naturaleza 17 de abril.

"Hemos construido dispositivos nanofotónicos integrados con la huella más pequeña y el ancho de banda operativo más grande de todos los tiempos, "Yu dice." El grado en que ahora podemos reducir el tamaño de los dispositivos integrados fotónicos con la ayuda de nano-antenas es similar a lo que sucedió en la década de 1950 cuando los grandes tubos de vacío fueron reemplazados por transistores semiconductores mucho más pequeños. Este trabajo proporciona una solución revolucionaria a un problema científico fundamental:¿Cómo controlar la luz que se propaga en las guías de ondas de la manera más eficiente? "

La potencia óptica de las ondas de luz que se propagan a lo largo de las guías de ondas está confinada dentro del núcleo de la guía de ondas:los investigadores solo pueden acceder a las ondas guiadas a través de las pequeñas "colas" evanescentes que existen cerca de la superficie de la guía de ondas. Estas ondas guiadas elusivas son particularmente difíciles de manipular y, por lo tanto, los dispositivos integrados fotónicos suelen ser de gran tamaño. ocupando espacio y limitando así la densidad de integración del dispositivo de un chip. La reducción de los dispositivos integrados fotónicos representa un desafío principal que los investigadores pretenden superar, reflejando la progresión histórica de la electrónica que sigue la ley de Moore, que el número de transistores en los circuitos integrados electrónicos se duplica aproximadamente cada dos años.

El equipo de Yu descubrió que la forma más eficiente de controlar la luz en las guías de ondas es "decorar" las guías de ondas con nano-antenas ópticas:estas antenas en miniatura extraen luz del interior del núcleo de la guía de ondas, modificar las propiedades de la luz, y libere la luz de nuevo en las guías de ondas. El efecto acumulativo de una matriz densamente empaquetada de nano-antenas es tan fuerte que podrían lograr funciones como la conversión del modo de guía de ondas dentro de una distancia de propagación no más del doble de la longitud de onda.

"Este es un gran avance teniendo en cuenta que los enfoques convencionales para realizar la conversión del modo de guía de ondas requieren dispositivos con una longitud que es decenas de cientos de veces la longitud de onda, "Dice Yu." Hemos podido reducir el tamaño del dispositivo en un factor de 10 a 100 ".

Los equipos de Yu crearon convertidores de modo de guía de ondas que pueden convertir un determinado modo de guía de ondas a otro modo de guía de ondas; estos son habilitadores clave de una tecnología llamada "multiplexación por división de modo" (MDM). Una guía de ondas óptica puede admitir un modo de guía de ondas fundamental y un conjunto de modos de orden superior, de la misma manera que una cuerda de guitarra puede soportar un tono fundamental y sus armónicos. MDM es una estrategia para aumentar sustancialmente la potencia de procesamiento de información de un chip óptico:se podría usar el mismo color de luz pero varios modos de guía de ondas diferentes para transportar varios canales independientes de información simultáneamente, todo a través de la misma guía de ondas. "Este efecto es como, por ejemplo, el puente George Washington tiene mágicamente la capacidad de manejar un volumen de tráfico varias veces mayor, ", Explica Yu." Nuestros convertidores de modo de guía de ondas podrían permitir la creación de vías de información mucho más capacitivas ".

A continuación, planea incorporar materiales ópticos sintonizables activamente en los dispositivos fotónicos integrados para permitir el control activo de la propagación de la luz en las guías de ondas. Dichos dispositivos activos serán los componentes básicos de las gafas de realidad aumentada (AR), gafas que primero determinan las aberraciones oculares del usuario y luego proyectan imágenes con corrección de aberraciones en los ojos, que él y sus colegas de Columbia Engineering, Profesores Michal Lipson, Alex Gaeta, Demetri Basov, Jim Hone, y Harish Krishnaswamy están trabajando ahora. Yu también está explorando convertir ondas que se propagan en guías de ondas en ondas superficiales fuertes, que eventualmente podría usarse para detección química y biológica en chip.

El estudio se titula, "Control de la propagación y el acoplamiento de los modos de guía de ondas mediante metauperficies de gradiente de fase".