Un equipo de investigadores de ingeniería de Columbia, dirigido por el professor de física aplicada Nanfang Yu, ha inventado un método para controlar la propagación de la luz en vías confinadas, o en guías de onda, con eficacia alta usando nano-antenas de control de luz.
Algunos convertidores de modo de guía de onda realizados. Los dispositivos consisten en matrices escalonadas de nano-antenas de oro modeladas en guías de onda de silicio. Los modos de guía de ondas convertidos y de incidente se muestran a la izquierda y a la derecha de los dispositivos, respectivamente. ¿La longitud de onda de funcionamiento es? = 4 \ mu m. Crédito: Nanfang Yu / Columbia Engineering.
Para demostrar esta técnica, construyeron dispositivos fotónicos integrados que no solo tenían huellas de registro pequeñas, sinó que fueron capaces de mantener un rendimiento óptimo sobre en un rango de longitud de onda amplia sin precedentes.
Los circuitos integrados fotónicos (ICs) se basan en la propagación de la luz en guías de onda ópticas, y el control de tal propagación ligera es un tema central en la construcción de estos chips, que utilizan luz en lugar de electrones para el transporte de datos. El método de Yu podría conducir a chips ópticos más rápidos, más potentes, y más eficientes, que a su vez podrían transformar las comunicaciones ópticas y el procesamiento de la señal óptica. El estudio se publica en línea en Nature Nanotechnology el 17 de abril.
"Hemos construido dispositivos nanofotónicos integrados con la huella más pequeña y mayor ancho de banda operativo jamás", dice Yu. "El grado al cual ahora podemos reducir el tamaño de dispositivos fotónicos integrados con la ayuda de nano-antenas es similar a lo que sucedió en la década de 1950 cuando grandes tubos de vacío fueron substituidos por transistores semiconductores mucho más pequeños." "Este trabajo ofrece una solución revolucionaria a un problema científico fundamental: Cómo controlar la propagación de la luz en guías de onda de la manera más eficiente?"
La potencia óptica de las ondas de luz que se propagan a lo largo de las guías de onda se limita dentro de la base de la guía de onda: los investigadores sólo pueden acceder a las ondas guiadas a través de las pequeñas "colas" evanescentes que existen cerca de la superficie de la guía de onda. Estas ondas guiadas esquivas son particularmente difíciles de manipular y por lo tanto los dispositivos fotónicos integrados suelen ser grandes en tamaño, ocupando espacio y limitando la densidad de integración de dispositivos de un chip. La reducción de dispositivos fotónicos integrados representa un objetivo de los investigadores que deben de superar, reflejando la progresión histórica de la electrónica que sigue la ley de Moore, de que el número de transistores en circuitos electrónico se duplica aproximadamente cada dos años.
El equipo de Yu encontró que es la manera más eficiente para el control de luz en guías de onda para "decorar" las guías de onda con nano-antenas ópticas: estas antenas miniatura, tiran desde dentro de la base de la guía de onda de la luz, modifican las propiedades de la luz y liberan la luz nuevamente dentro de las guías de onda. El efecto acumulativo de una matriz densamente comprimido de nano-antenas es tan fuerte que podría alcanzar las funciones tales como conversión de modo de guía de onda a una distancia no más de dos veces la longitud de onda de la propagación.
"Esto es un gran avance teniendo en cuenta que los enfoques convencionales para realizar la conversión de modo de guía de onda requieren dispositivos con una longitud que es decenas de cientos de veces la longitud de onda", dice Yu. "Hemos sido capaces de reducir el tamaño del dispositivo por un factor de 10 a 100".
Los equipos de Yu crearon convertidores de onda de modo que pueden convertir un cierto modo de guía de onda a otro modo de guía de onda; Estos son habilitadores clave de una tecnología llamada "multiplexación por división de modos" (MDM). Una Guía de ondas ópticas puede apoyar un modo de guía de onda fundamental y un conjunto de modos de orden superior, del mismo modo que una cuerda de guitarra puede apoyar un tono fundamental y sus armónicos. MDM es una estrategia para aumentar sustancialmente la potencia de procesamiento de información de un chip óptico: uno podría utilizar el mismo color de luz pero varios modos diferentes de la guía de onda para transportar varios canales independientes de información simultáneamente, a lo largo de la misma guía de onda. "Este efecto como, por ejemplo, el puente de George Washington por arte de magia, tiene la capacidad de tratar un par de veces más volumen de tráfico,", explica Yu. "Nuestros convertidores de modo de guía de onda podrían permitir la creación de más vías de información capacitiva".
El planea incorporar materiales ópticos sintonizables activamente en los dispositivos fotónicos integrados para habilitar el control activo de la propagación de la en las guías de onda. Estos dispositivos activos de búsqueda serán el bloque de edificio básico de lentes-gafas de realidad aumentada (AR) que primero determinan las aberraciones del ojo del usuario y luego proyectan imágenes corregidas por aberraciones en los ojos que él y sus colegas de Columbia Engineering, los profesores Michal Lipson, Alex Gaeta, Demetri Basov, Jim Hone y Harish Krishnaswamy están trabajando ahora. Yu también está explorarando la conversion de ondas en ondas superficiales fuertes, que eventualmente podrían utilizarse para la detección química y biológica en chip.
El estudio se titula "Control de la Propagación y Acoplamiento de los Modos de Guías de Onda Usando Metástinas de Gradiente de Fase".