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(noticias nanowerk) 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 hallazgos astronómicos.
Fabricado en una oblea de silicio, este dispositivo toma la luz láser de entrada de una frecuencia y la convierte en un conjunto uniformemente espaciado de muchas frecuencias diferentes que forman un tren de pulsos que puede tener una duración de hasta 100 femtosegundos (cuatrillones de segundo). (El peine del nombre proviene del hecho de que las frecuencias están distribuidas como los dientes de un peine).
Ahora Vahala, profesor Ted y Ginger Jenkins de Ciencia y Tecnología de la Información y Física Aplicada en Caltech y oficial superior en 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: forma en que se forman los pulsos cortos en un nuevo material importante llamado nitruro de silicio de pérdida ultrabaja (nitruro ULL), un compuesto de silicio y nitrógeno. El nitruro de silicio se procesa de forma extremadamente pura y se deposita en una fina película.
Los dispositivos de micropeine de pulso corto fabricados con este material requerirían, en principio, muy poca energía para funcionar. Desafortunadamente, los pulsos cortos de luz (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 se propaguen a diferentes velocidades dependiendo de su frecuencia. ULL tiene lo que se conoce como dispersión normal, lo que impide que las guías de ondas de nitruro ULL soporten los pulsos cortos necesarios para el funcionamiento del micropeine.
En un artículo que aparece en Fotónica de la naturaleza (“Soliton Pulse Pairs at Multiple Colors in Normal Dispersion Microresonators”), los investigadores analizan el desarrollo del nuevo micropeine que supera las limitaciones ópticas inherentes del nitruro ULL generando pulsos emparejados. Este es un avance significativo porque el nitruro ULL se fabrica utilizando la misma tecnología utilizada para fabricar chips de computadora. Utilizando este tipo de técnica de fabricación, estos micropeines algún día podrían integrarse en una variedad de dispositivos portátiles con forma similar 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, si este bucle está hecho de nitruro ULL, la dispersión desestabiliza los pulsos de solitón», dice el coautor Zhiquan Yuan (MS ’21), un estudiante graduado en física aplicada.
Piense en el circuito como una pista de carreras con autos. Cuando algunos autos van más rápido y otros más lento, se dispersan a medida que recorren la pista en lugar de permanecer juntos como un grupo apretado. De manera similar, la dispersión normal de ULL significa que los pulsos de luz se propagan en las guías de ondas del micropeine y el micropeine deja de funcionar.
La solución que se le ocurrió al equipo fue crear varias pistas de carreras y emparejarlas para que parecieran un poco como una figura de ocho. En medio de este “8”, las dos pistas discurren paralelas entre sí con sólo un pequeño espacio entre ellas.
Si seguimos con la analogía de la pista de carreras, sería como dos pistas compartiendo una a la vez. Cuando los coches de cada ruta se juntan en este tramo común, se encuentran con algo parecido a un atasco. Así como dos carriles de tráfico que convergen en uno en una autopista obligan a los automóviles a reducir la velocidad, la sección conectada de las dos microcrestas obliga a los pulsos láser emparejados a enfocarse. Este agrupamiento contrarresta la tendencia de la leguminosa a extenderse y garantiza el correcto funcionamiento de los micropanales.
«De hecho, esto contrarresta la dispersión normal y le da a todo el sistema compuesto el equivalente a una dispersión anómala», dice el estudiante graduado y coautor Maodong Gao (MS ’22).
La idea se expande a medida que se agregan aún más pistas de carreras, y el equipo ha demostrado cómo funcionan también tres pistas de carreras creando dos conjuntos de pares de pulsos. Vahala cree que el fenómeno seguirá funcionando con muchas pistas de carreras acopladas (micropeines), proporcionando una forma de crear grandes conjuntos de circuitos fotónicos para los pulsos de solitones.
Como se mencionó anteriormente, estos micropeines ULL se fabrican utilizando el mismo equipo utilizado para producir chips de computadora basados en tecnología de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS). Bowers, profesor de ingeniería eléctrica e informática, colaboró en la investigación y señala: “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. integrar.» .»
Respecto a estas aplicaciones, Vahala dice: “Un peine es como una navaja suiza para la óptica. Tiene muchas funciones diferentes y por eso es una herramienta tan poderosa”.
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