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Fotónica

Una nueva conversión de la luz

La miniaturización en un chip que transforma un tipo de radiación electromagnética en dos frecuencias distintas permite reducir el tamaño de los dispositivos con láser

Físicos brasileños y estadounidenses han desarrollado una versión extremadamente reducida de una fuente de luz que, simultáneamente, convierte un tipo de radiación en otras dos frecuencias (colores) del espectro electromagnético. Este oscilador paramétrico óptico, tal como se denomina técnicamente el componente, mide 0,14 milímetro y está constituido por un chip fotónico de silicio, que utiliza la luz en lugar de electrones para procesar información. Cientos de veces más pequeño que sus análogos comerciales, el diminuto oscilador tiene la capacidad de transformar un haz de radiación con una longitud de onda en el rango del infrarrojo cercano, no detectable a simple vista, en luz visible y otras frecuencias que se utilizan en el campo de las telecomunicaciones.

El dominio de esta conversión es importante para la producción de luz en longitudes de ondas muy específicas, destinadas a determinadas finalidades como pueden ser aplicaciones industriales, investigaciones en el ámbito de la computación cuántica y el estudio de las interacciones de la materia con las radiaciones electromagnéticas de varias frecuencias distintas. Esta última área, denominada espectroscopía, posibilita, por ejemplo, analizar el color emitido por distintos materiales y, así, deducir los elementos que lo componen y la forma en que se encuentran ordenados estructuralmente. Se trata de una técnica que permite dilucidar desde la composición de la atmósfera hasta los contaminantes diluidos en un vaso de agua.

Por sus dimensiones reducidas, este oscilador desarrollado a partir de un trabajo conjunto entre el Instituto de Física de la Universidad de São Paulo (IF-USP) y las universidades Columbia y Cornell, ambas con sede en el estado de Nueva York (EE. UU.), puede servir como punto de partida para la obtención de dispositivos aún menores, que podrían integrarse a equipos informáticos, según sus creadores. “Nuestro dispositivo puede instalarse dentro de una plaqueta de una computadora o formar parte de un sistema híbrido, articulando electrónica y fotónica”, dice el físico Marcelo Martinelli, del IF-USP, uno de los autores del trabajo, cuyos resultados fueron dados a conocer en marzo en un artículo que salió publicado en la revista científica Optica.

En Brasil, el estudio es financiado por la FAPESP, el Consejo Nacional de Desarrollo Científico y Tecnológico (CNPq) y la Coordinación de Perfeccionamiento del Personal de Nivel Superior (Capes). “El artículo es el primer resultado importante producto de nuestras investigaciones con chips de silicio”, comenta otro de los autores del trabajo, el físico Paulo Nussenzveig, también del IF-USP.

La transformación de un haz de luz en otros dos tipos de radiación electromagnética ocurre a menudo en los dispositivos láser con dimensiones relativamente grandes. Estos aparatos se encuentran instalados habitualmente en laboratorios de investigación, que se valen de los osciladores paramétricos ópticos para generar luz en distintas bandas del espectro electromagnético. Esos osciladores suelen medir entre 5 y 20 centímetros, o sea que son entre 350 y 1.400 veces más grandes que el nuevo dispositivo. El conjunto integrado por el oscilador en un chip desarrollado por brasileños y estadounidenses funciona como un microrresonador o como una cavidad óptica, esto es, un circuito cerrado compuesto por una fibra óptica integrada que, de acuerdo con su disposición geométrica y otros parámetros, puede amplificar y transformar la señal original del láser en otras frecuencias. El chip se fabricó en Estados Unidos pero el experimento se llevó a cabo en Brasil.

“Hemos diseñado microrresonadores con forma de anillo en los cuales la luz circula a través de conductos de nitrato de silicio [Si3N4] acopladas en un sustrato de óxido de silicio [SiO2]”, explica el físico Renato Domeneguetti, autor principal del artículo, quien condujo la investigación que formó parte de su doctorado, defendido en 2018 en el IF-USP. “Nuestro dispositivo puede ser interesante para aplicaciones en las áreas de las comunicaciones y de la computación cuántica. Hoy en día hay diversas empresas y grupos académicos de investigación que trabajan en el desarrollo de dispositivos similares”. Es posible, por ejemplo, que las partículas de luz que constituyen dos haces distintos de radiación electromagnética generados por el chip fotónico presenten algún tipo de correlación cuántica, una propiedad que, en teoría, puede utilizarse para codificar y recuperar información.

Según Martinelli, la unión de la microelectrónica con la fotónica en el interior de un mismo chip podría mitigar la pérdida de energía y evitar el calentamiento de la placa de las computadoras. En la actualidad, el funcionamiento de los ordenadores y de la industria de la informática se basa en la explotación de las propiedades de los electrones (de ahí proviene el término microelectrónica). En el mundo de la fotónica, la luz es la encargada de procesar la información, como ocurre en los cables de fibra óptica. Si bien consume menos energía que la electrónica, la fotónica todavía es un área más costosa y un control más sofisticado de las propiedades de la luz sigue erigiéndose como un reto.

Proyecto
Exploración de la información cuántica con átomos, cristales y chips (nº 15/18834-0); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Marcelo Martinelli (USP); Inversión R$ 3.366.437,68

Artículo científico
DOMENEGUETTI, R. R. et al. Parametric sideband generation in CMOS-compatible oscillators from visible to telecom wavelengths. Optica. v. 8, n. 3. mar. 2021.

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