Los investigadores han creado un nuevo peine electroóptico de banda ultra ancha que contiene 450 nm de precisión de luz en un chip más pequeño que una moneda, allanando el camino para dispositivos fotónicos más inteligentes y eficientes.
En el mundo de la óptica moderna, los peines de frecuencia son herramientas invaluables. Estos dispositivos actúan como reglas para medir la luz, lo que permite avances en telecomunicaciones, monitoreo ambiental e incluso astrofísica. Pero construir peines de frecuencia compactos y eficientes ha sido un desafío, hasta ahora.
Los peines de frecuencia electroópticos, introducidos en 1993, mostraron ser prometedores en la generación de peines ópticos mediante modulación de fase en cascada, pero el progreso se ralentizó debido a sus altas demandas de potencia y ancho de banda limitado. Esto llevó a que el campo estuviera dominado por láseres de femtosegundos y micropeines de solitones Kerr, que, si bien son eficaces, requieren un ajuste complejo y alta potencia, lo que limita su uso en el campo.
Sin embargo, los recientes avances en circuitos fotónicos integrados electroópticos de película delgada han renovado el interés por materiales como el niobato de litio. No obstante, lograr un mayor ancho de banda con menor potencia sigue siendo un desafío; la birrefringencia intrínseca (división de los rayos de luz) del niobato de litio también establece un límite superior para el ancho de banda alcanzable.
Los científicos de la EPFL, la Escuela de Minas de Colorado y la Academia de Ciencias de China han abordado este problema combinando diseños de circuitos ópticos y de microondas en la plataforma de tantalato de litio recientemente desarrollada. En comparación con el niobato de litio, el tantalato de litio presenta una birrefringencia intrínseca 17 veces menor. Dirigidos por el profesor Tobias J. Kippenberg, los investigadores desarrollaron un generador de peine de frecuencia electroóptica que logra una cobertura espectral sin precedentes de 450 nm con más de 2000 líneas de peine. El avance amplía el ancho de banda del dispositivo y reduce los requisitos de potencia de microondas casi 20 veces en comparación con los diseños anteriores.
El equipo introdujo una arquitectura de “triple resonancia integrada”, en la que tres campos en interacción (dos ópticos y uno de microondas) resuenan en armonía. Esto se logró utilizando un novedoso sistema codiseñado que integra circuitos monolíticos de microondas con componentes fotónicos. Al incorporar un resonador de guía de ondas coplanar distribuido en circuitos fotónicos integrados de tantalato de litio, el equipo mejoró significativamente el confinamiento de las microondas y la eficiencia energética.
El tamaño compacto del dispositivo, que cabe en un espacio de 1×1 cm², fue posible gracias al aprovechamiento de la menor birrefringencia del tantalato de litio. Esto minimiza la interferencia entre las ondas de luz, lo que permite una generación de peine de frecuencia uniforme y uniforme. Además, el dispositivo funciona mediante un diodo láser de retroalimentación distribuida simple y de funcionamiento libre, lo que lo hace mucho más fácil de usar que sus homólogos de solitón Kerr.
El rango de banda ultraancha del nuevo generador de peine, que cubre 450 nm, supera los límites de las tecnologías de peine de frecuencia electroóptica actuales. Lo logra con un funcionamiento estable en el 90% del rango espectral libre, eliminando la necesidad de mecanismos de ajuste complejos. Esta estabilidad y simplicidad abren la puerta a aplicaciones prácticas que se pueden implementar en el campo.
El nuevo dispositivo puede suponer un cambio de paradigma en el mundo de la fotónica. Gracias a su diseño robusto y su tamaño compacto, puede influir en áreas como la robótica, donde la medición precisa de distancias por láser es crucial, y la monitorización medioambiental, donde la detección precisa de gases es esencial. Además, el éxito de esta metodología de diseño conjunto pone de relieve el potencial sin explotar de la integración de la ingeniería fotónica y de microondas para los dispositivos de próxima generación.
Todas las muestras se fabricaron en la sala limpia del Centro de MicroNanotecnología (CMi) de la EPFL y del Instituto de Física (IPHYS). Las obleas LTOI se fabricaron en Shanghai Novel Si Integration Technology (NSIT) y SIMIT-CAS.
Fondos
Fundación Nacional Suiza para la Ciencia (SNSF)
Referencias
Junyin Zhang, Chengli Wang, Connor Denney, Johann Riemensberger, Grigory Lihachev, Jianqi Hu, Wil Kao, Terence Blésin, Nikolai Kuznetsov, Zihan Li, Mikhail Churaev, Xin Ou, Gabriel Santamaria-Botello, Tobias J. Kippenberg. Peine de frecuencia electroóptico integrado de banda ultraancha en tantalato de litio. Naturaleza 22 de enero de 2024. DOI: 10.1038/s41586-024-08354-4
EPFL News. N. P. Traducido al español
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