Modulador de Luz Visible Ultra-miniatura y de Bajo Consumo Establece Nuevo Estándar Industrial

En las últimas décadas, los investigadores han pasado de usar corrientes eléctricas a manipular ondas de luz en el rango del infrarrojo cercano para aplicaciones de telecomunicaciones como redes 5G de alta velocidad, biosensores en chip y coches sin conductor. Este campo de investigación, conocido como fotónica integrada, evoluciona rápidamente, y los investigadores están explorando ahora el rango de longitudes de onda más corto —visible— para desarrollar una amplia variedad de aplicaciones emergentes. Estas incluyen detección y rango de luz a escala de chip (LiDAR), gafas de realidad aumentada/virtual/mixta (AR/VR/MR), pantallas holográficas, chips de procesamiento de información cuántica y sondas optogenéticas implantables en el cerebro.

El dispositivo crítico para todas estas aplicaciones en el rango visible es un modulador de fase óptica, que controla la fase de una onda de luz, de forma similar a como se modula la fase de ondas de radio en redes inalámbricas. Con un modulador de fase, los investigadores pueden construir un interruptor óptico en chip que canaliza la luz hacia diferentes puertos de guía de onda. Con una gran red de estos interruptores ópticos, los investigadores podrían crear sistemas ópticos integrados sofisticados que controlen la luz que se propaga en un chip diminuto.

Pero los moduladores de fase en el rango visible son muy difíciles de fabricar: no hay materiales que sean lo suficientemente transparentes en el espectro visible y que al mismo tiempo ofrezcan gran sintonizabilidad, ya sea mediante efectos termo-ópticos o electro-ópticos. Actualmente, los dos materiales más adecuados son el nitruro de silicio y el niobato de litio.

Aunque ambos son altamente transparentes en el rango visible, ninguno proporciona mucha sintonizabilidad. Los moduladores de fase de espectro visible basados en estos materiales son, por tanto, no solo grandes sino también consumidores de energía: la longitud de moduladores basados en guías de onda individuales varía desde cientos de micrómetros hasta varios milímetros, y un solo modulador consume decenas de milivatios para sintonización de fase. Los investigadores que intentan lograr una integración a gran escala —incrustar miles de dispositivos en un solo microchip— se han visto obstaculizados hasta ahora por estos dispositivos voluminosos y consumidores de energía.

Investigadores de Columbia Engineering han encontrado una solución a este problema: han desarrollado un método basado en resonadores de micro-anillo para reducir drásticamente tanto el tamaño como el consumo de energía de un modulador de fase de espectro visible, de un milímetro a 10 micrómetros, y de decenas de milivatios para sintonización de fase π a menos de un milivatio.

Los resonadores ópticos son estructuras con un alto grado de simetría, como anillos, que pueden hacer circular un haz de luz muchas veces y traducir pequeños cambios en el índice de refracción a una gran modulación de fase. Los resonadores pueden operar bajo diferentes condiciones y deben usarse con cuidado. Por ejemplo, si operan en regímenes "sub-acoplados" o "críticamente acoplados", un resonador solo proporcionará una modulación de fase limitada y, más problemáticamente, introducirá una gran variación de amplitud en la señal óptica. Esta última es una pérdida óptica altamente indeseable porque la acumulación de incluso pérdidas moderadas de moduladores de fase individuales impedirá cascarlos para formar un circuito que tenga una señal de salida lo suficientemente grande.

Para lograr una sintonización de fase completa de 2π y una variación de amplitud mínima, el equipo de investigación optó por operar un micro-anillo en el régimen "fuertemente sobre-acoplado", una condición en la que la fuerza de acoplamiento entre el micro-anillo y la guía de onda "bus" que alimenta luz al anillo es al menos 10 veces más fuerte que la pérdida del micro-anillo, que se debe principalmente a la dispersión óptica en la rugosidad a nanoescala en las paredes laterales del dispositivo.

El equipo desarrolló varias estrategias para llevar los dispositivos al régimen fuertemente sobre-acoplado. La más crucial fue su invención de una geometría de micro-anillo adiabático, en la que el anillo transita suavemente entre un cuello estrecho y una barriga ancha, que están en los bordes opuestos del anillo. El cuello estrecho del anillo facilita el intercambio de luz entre la guía de onda bus y el micro-anillo, mejorando así la fuerza de acoplamiento. La barriga ancha del anillo reduce la pérdida óptica porque la luz guiada interactúa solo con la pared lateral exterior, no con la interior, de la porción ensanchada del micro-anillo adiabático, reduciendo sustancialmente la dispersión óptica en la rugosidad de la pared lateral.

En un estudio comparativo de micro-anillos adiabáticos y micro-anillos convencionales de ancho uniforme fabricados lado a lado en el mismo chip, el equipo encontró que ninguno de los micro-anillos convencionales satisfacía la condición de fuerte sobre-acoplamiento —de hecho, sufrían pérdidas ópticas muy malas— mientras que el 63% de los micro-anillos adiabáticos seguían operando en el régimen fuertemente sobre-acoplado.

Sus mejores moduladores de fase operando en colores azul y verde, que son las porciones más difíciles del espectro visible, tienen un radio de solo cinco micrómetros, consumen 0,8 mW para sintonización de fase π e introducen una variación de amplitud inferior al 10%. Según los investigadores, ningún trabajo previo ha demostrado moduladores de fase tan compactos, eficientes energéticamente y de bajas pérdidas en longitudes de onda visibles.

Los investigadores señalan que aunque están lejos del grado de integración de la electrónica, su trabajo reduce sustancialmente la brecha entre interruptores fotónicos y electrónicos. "Si las tecnologías de moduladores previas solo permitían la integración de 100 moduladores de fase de guía de onda dada una cierta huella de chip y presupuesto de energía, ahora podemos hacerlo 100 veces mejor e integrar 10,000 desplazadores de fase en un chip para realizar funciones mucho más sofisticadas", dijo el profesor Nanfang Yu.

Los investigadores están trabajando ahora para demostrar LiDAR de espectro visible que consiste en grandes arrays 2D de desplazadores de fase basados en micro-anillos adiabáticos. Las estrategias de diseño empleadas para sus dispositivos termo-ópticos de espectro visible pueden aplicarse a moduladores electro-ópticos para reducir sus huellas y voltajes de accionamiento y pueden adaptarse en otros rangos espectrales (por ejemplo, ultravioleta, telecomunicaciones, infrarrojo medio y terahercios) y en otros diseños de resonadores más allá de micro-anillos.