Esquema del nuevo dispositivo de guía de ondas óptica que muestra las rejillas de entrada y salida y las conexiones de la guía de ondas de silicio. Crédito:Natasha Litchinitser, Universidad de Duke
Los ingenieros de la Universidad de Duke han demostrado un dispositivo que puede dirigir fotones de luz alrededor de esquinas afiladas prácticamente sin pérdidas debido a la retrodispersión. una propiedad clave que será necesaria si alguna vez se reemplaza la electrónica por dispositivos basados en la luz.
El resultado se logró con cristales fotónicos basados en el concepto de aislantes topológicos, que ganó a sus descubridores un Premio Nobel en 2016. Al controlar cuidadosamente la geometría de una red de cristal, los investigadores pueden evitar que la luz viaje por su interior mientras la transmite perfectamente a lo largo de su superficie.
A través de estos conceptos, el dispositivo logra su transmitancia casi perfecta en las esquinas a pesar de ser mucho más pequeño que los diseños anteriores.
La Asociación de la Industria de Semiconductores estima que la cantidad de dispositivos electrónicos está aumentando tan rápidamente que para el año 2040, no habrá suficiente poder en todo el mundo para ejecutarlos todos. Una posible solución es recurrir a fotones sin masa para reemplazar los electrones que se utilizan actualmente para transmitir datos. Además de ahorrar energía, Los sistemas fotónicos también prometen ser más rápidos y tener mayor ancho de banda.
Los fotones ya se utilizan en algunas aplicaciones, como la comunicación fotónica en chip. Un inconveniente de la tecnología actual, sin embargo, es que tales sistemas no pueden girar o doblar la luz de manera eficiente. Pero para que los fotones reemplacen a los electrones en los microchips, viajar alrededor de las esquinas en espacios microscópicos es una necesidad.
Observe más de cerca el nuevo dispositivo de guía de ondas óptica que presenta una vista ampliada del aislante topológico de cristal fotónico fabricado. Crédito:Natasha Litchinitser, Universidad de Duke
"Cuanto más pequeño sea el dispositivo, mejor pero, por supuesto, también intentamos minimizar las pérdidas, "dijo Wiktor Walasik, un asociado postdoctoral en ingeniería eléctrica e informática en Duke. "Hay mucha gente trabajando para hacer posible un sistema informático totalmente óptico. Aún no hemos llegado allí, pero creo que esa es la dirección en la que vamos ".
Las demostraciones anteriores también han mostrado pequeñas pérdidas al guiar fotones alrededor de las esquinas, pero la nueva investigación de Duke lo hace en un dispositivo rectangular de solo 35 micrómetros de largo y 5,5 micrómetros de ancho, 100 veces más pequeño que los dispositivos basados en resonadores de anillo previamente demostrados.
En el nuevo estudio, que apareció en línea el 12 de noviembre en la revista Nanotecnología de la naturaleza , Los investigadores fabricaron aislantes topológicos utilizando litografía por haz de electrones y midieron la transmitancia de la luz mediante una serie de giros bruscos. Los resultados mostraron que cada turno solo resultó en la pérdida de un pequeño porcentaje.
“Antes era posible guiar la luz alrededor de esquinas afiladas en cristales fotónicos convencionales, pero solo a través de un proceso largo y laborioso adaptado a un conjunto específico de parámetros, "dijo Natasha Litchinitser, profesor de ingeniería eléctrica e informática en Duke. "Y si cometiste el más mínimo error en su fabricación, perdió muchas de las propiedades que intentaba optimizar ".
La parte central de la nueva guía de ondas del aislante topológico de cristal fotónico, con la trayectoria de la trayectoria de un fotón resaltada en verde. El experimento mostró que cada turno resultó en pérdidas por retrodispersión de solo un pequeño porcentaje. Crédito:Natasha Litchinitser, Universidad de Duke
"Pero nuestro dispositivo funcionará sin importar sus dimensiones o geometría de la trayectoria de los fotones y el transporte de fotones está 'protegido topológicamente, '", añadió Mikhail Shalaev, estudiante de doctorado en el laboratorio de Litchinitser y primer autor del artículo. "Esto significa que incluso si hay defectos menores en la estructura cristalina fotónica, la guía de ondas todavía funciona muy bien. No es tan sensible a los errores de fabricación ".
Los investigadores señalan que su dispositivo también tiene un gran ancho de banda operativo, es compatible con las tecnologías modernas de fabricación de semiconductores, y funciona en las longitudes de onda que se utilizan actualmente en las telecomunicaciones.
A continuación, los investigadores están intentando hacer que su guía de ondas se sintonice dinámicamente para cambiar el ancho de banda de su operación. Esto permitiría que la guía de ondas se encienda y apague a voluntad, otra característica importante para que las tecnologías totalmente ópticas basadas en fotones se conviertan en una realidad.
