Las longitudes de onda láser necesarias para muchos de los experimentos más intrigantes de la actualidad, particularmente dentro del rango visible, son un desafío para obtener diminutos circuitos integrados fotónicos (PIC). Pero los investigadores de fotónica del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de EE. UU. y sus colegas de Octave Photonics están encabezando una solución a este problema de acceso a la longitud de onda-y también abordando los desafíos para unir diferentes funciones fotónicas para respaldar la conmutación, el enrutamiento y el filtrado ópticos.
Un enfoque común hoy en día es combinar diferentes materiales fotónicos para intentar habilitar estas diferentes funciones y aprovechar las fortalezas donde existan, pero ningún material por sí solo puede hacerlo en todas las escalas deseadas para desarrollar nuevas aplicaciones.
"Nuestro trabajo se inspiró en el elevado objetivo de lograr 'láseres de cualquier longitud de onda', con compatibilidad directa con las tecnologías fotónicas existentes", dice Grant M. Brodnik, físico del Grupo de Nanofotónica Cuántica y No Lineal del NIST. "Y demostramos otras funcionalidades como peines de frecuencia y generación supercontinua, porque la plataforma las admite directamente. Estas capacidades desempeñan un papel clave en muchas aplicaciones importantes".
Gracias, óptica no lineal.
Para alcanzar la velocidad que exigen la inteligencia artificial (IA) y las aplicaciones cuánticas, es fundamental pasar de electrones a fotones-al igual que los láseres de "cualquier longitud de onda" a escala de chip.
Una breve explicación del nuevo enfoque del equipo: comienza con una oblea de silicio estándar recubierta con dióxido de silicio (vidrio) y niobato de litio, un material no lineal que puede alterar el color de la luz que ingresa. Agregar metal permite que el niobato de litio se marque eléctricamente-para convertir un color de luz en otros. Interfaces similares de niobato de metal-litio pueden permitir un rápido encendido y apagado de la luz (piense en el enrutamiento y procesamiento de datos de alta-velocidad).
La depósito de patrones complejos de pentóxido de tantalio, también conocido como tantala, directamente encima de otros circuitos fotónicos permite que plataformas fotónicas versátiles funcionen en conjunto. Tantala es un material no lineal resistente y se adapta bien al funcionamiento con longitud de onda visible. "Lo más importante es que tiene propiedades materiales atractivas (relacionadas con su fabricación) que lo hacen susceptible de integración directa con otros materiales fotónicos", dice Brodnik.
Cuando los investigadores colocaron los materiales uno encima del otro en una pila 3D, terminaron con un solo chip que dirige eficientemente la luz entre las capas. Este chip combina las capacidades de manipulación de la luz del tantala con la controlabilidad del niobato de litio.
La óptica no lineal es ahora la física "no-tan-secreta" que aprovechan "para crear colores de luz completamente nuevos a partir del único color que ponemos", explica Brodnik. "Si tomas una fotografía con una cámara, no esperas que los colores de la imagen cambien al pasar a través de una lente. Pero con materiales no lineales con altas potencias ópticas proporcionadas por láseres, eso es exactamente lo que sucede. Es una técnica clave que impulsa los láseres de escala de mesa-que hoy crean muchos colores personalizados. Usamos estas técnicas-pero con circuitos fotónicos dentro de dispositivos más pequeños que el tamaño de un grano de arroz".
El aspecto más interesante de este trabajo para Brodnik es ver "nuevos colores de luz, a menudo deslumbrantes, que emergen de nuestros dispositivos al convertir la luz de entrada (que es invisible a nuestros ojos)", dice. "En el laboratorio, con un chip colocado en una etapa de prueba, marcamos lentamente los parámetros de operación y, boom, un vibrante azul-verde comienza a brillar en todo el chip. En el siguiente dispositivo, lo convertimos en azul-violeta. Se siente un poco como magia".
Su trabajo "sienta las bases y demuestra el potencial de la plataforma", afirma Brodnik. "Ciertamente trabajaremos para optimizar el rendimiento de los diseños existentes, pero la plataforma desbloquea nuevas funciones y botones de diseño que estamos entusiasmados de explorar".
Muchas aplicaciones que implican la interfaz con transiciones atómicas-piensen en la detección cuántica y la informática-requieren luz en longitudes de onda que abarquen las bandas de ondas visibles y cercanas-infrarrojas. "Las aplicaciones que necesitan encaminar y encender y apagar la luz rápidamente, como el procesamiento de datos ópticos y la informática, también pueden beneficiarse de la plataforma aprovechando otras funcionalidades físicas que proporcionan los materiales", afirma Brodnik. "La tecnología de visualización para el consumidor es quizás otra aplicación. Hay muchas más-ciertamente ni siquiera hemos pensado, que ahora pueden ser consideradas y desarrolladas por la comunidad científica".
El equipo tiene "un puñado de arquitecturas fotónicas interesantes actualmente en etapas de diseño, que requieren una gran cantidad de capacidades que admite nuestra plataforma", dice Brodnik. "También estamos entusiasmados de colaborar con colegas y otros investigadores que nos han estado aportando nuevas ideas y aplicaciones que quizás no hemos considerado o que requerimos experiencia compartida para llevar a cabo. Son tiempos emocionantes".
