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La luz repele la luz
Demostrando un fenómeno óptico fundamentalmente nuevo, los investigadores de la Universidad de Yale han demostrado la segunda mitad de una fuerza óptica que podría hacer que los dispositivos fotónicos de silicio, como los que se usan en comunicaciones de alta velocidad, tarjetas de red, incluso cables de video y TV, sean más rápidos y más capaces. .
Carretera óptica: Los investigadores de Yale generaron fuerzas ópticas repulsivas al dividir un solo haz de luz para que cada mitad viajara a través de una guía de ondas de diferente longitud. Debido a que una mitad del haz viajó más lejos que la otra, llegaron a la región central fuera de fase, lo que provocó que las dos guías de ondas se repelen entre sí. Cuando los rayos de luz estaban en fase, se atraían entre sí. Las dos formas triangulares en la parte inferior son los puertos ópticos de entrada y salida.
Resultados como estos que muestran formas novedosas de controlar la luz no aparecen con mucha frecuencia, dice Pintor oskar , un investigador de microfotónica en Caltech que no participó en el trabajo. Hay un impulso para hacer más con los componentes ópticos, agrega Painter, y los resultados del grupo de Yale son totalmente nuevos.
Los científicos teorizaron en 2005 que pequeños rayos de luz confinados en un chip de silicio podrían atraerse o repelerse entre sí cuando se colocan muy cerca, de manera similar a las fuerzas electromagnéticas entre cargas positivas y negativas. El año pasado, un grupo dirigido por un profesor de la Universidad de Yale Hong Tang demostró por primera vez el lado atractivo de esta fuerza óptica. Ahora el grupo ha demostrado el segundo lado de la fuerza, la repulsión, que hace que sus efectos sean reversibles.
Anteriormente, dice Mo Li, autor principal del artículo publicado en Fotónica de la naturaleza , podían tirar con la fuerza, pero no podían empujar. Ahora los investigadores pueden hacer ambas cosas. El logro abre la posibilidad de usar luz para manipular la luz en dispositivos microfotónicos, en lugar de usar elementos mecánicos como microcalentadores o cristales ópticos hambrientos de energía.
Aunque la fuerza es demasiado débil para usarla en escalas más grandes (por ejemplo, dos punteros láser no pueden atraerse ni repelerse entre sí), la fuerza óptica opera fuertemente en la microescala, lo que la hace ideal para el control totalmente óptico de ultra alta velocidad de nanomecánica dispositivos, según el profesor de matemáticas aplicadas del MIT Steven Johnson . En particular, Johnson señala la importancia de poder alternar entre fuerzas ópticas atractivas y repulsivas, algo que no se ha demostrado experimentalmente antes.
Aprovechar la fuerza óptica debería permitir una transferencia de datos más rápida en aplicaciones como las telecomunicaciones de fibra óptica, donde la información puede codificarse en múltiples longitudes de onda de luz y acelerarse a través de un solo cable de fibra óptica en un proceso llamado multiplexación por división de longitud de onda. Este proceso actualmente requiere convertir señales ópticas en señales eléctricas para su modulación o amplificación, y luego convertirlas de nuevo en señales ópticas y enviarlas en su camino. El uso de luz para manipular la señal óptica podría eliminar la necesidad de paradas de descanso eléctricas a lo largo de la autopista de fibra óptica. Si puede transferir luz a luz directamente, dice Li, será más barato y más rápido.
Otro problema con la multiplexación óptica actual es que los dispositivos que hacen que el proceso funcione son relativamente grandes (ocupan un lugar privilegiado en las obleas de silicio) y deben diseñarse con microcalentadores colocados estratégicamente, que utilizan cambios de temperatura para sintonizar cada longitud de onda de la luz. solo bien. Estos dispositivos son lentos y pueden provocar interferencias. Otras técnicas de manipulación de la luz utilizan materiales de cristal especiales que responden a la luz de alta intensidad para cambiar las propiedades de los materiales de los dispositivos fotónicos.
Animación suspendida: Los investigadores suspendieron dos guías de ondas (los cables azules horizontales) para permitirles moverse libremente bajo la influencia de fuerzas ópticas atractivas y repulsivas. Las estructuras azules verticales son soportes de guías de ondas de cristal fotónico.
El enfoque del grupo Yale demuestra la posibilidad de manipular un haz de luz con otro, directamente en el chip, sin la necesidad de calentadores lentos y voluminosos o cristales externos. Y debido a su capacidad para aprovechar tanto las fuerzas positivas como las negativas, ahora pueden duplicar efectivamente el rango de control sobre los circuitos fotónicos.
El grupo utilizó dos guías de ondas idénticas, los equivalentes ópticos de los cables electrónicos, que encierran los rayos de luz que se mueven a través de ellas, y las suspendieron en una región de acoplamiento central para permitirles moverse libremente bajo la influencia de la fuerza óptica. Luego, los investigadores enviaron un rayo de luz láser, lo dividieron por la mitad y forzaron a una mitad a recorrer un camino más largo que a la otra. Cuando las dos mitades de luz se recombinaron, estaban desfasadas debido a que habían recorrido diferentes longitudes de trayectoria. Los investigadores encontraron que cuando los rayos de luz estaban desfasados, sus guías de ondas se repelían entre sí, pero cuando la luz estaba en fase, las guías de ondas se acercaban. Debido a que podían cambiar la diferencia de fase entre los rayos simplemente ajustando la longitud de onda de la luz láser de entrada, los investigadores terminaron con una nueva perilla para controlar la fuerza óptica en un paso muy simple.
Aunque no estaban transfiriendo información o ni siquiera encendiendo y apagando interruptores, el grupo demostró con éxito la existencia de ambos lados de la fuerza y la facilidad para cambiar entre ellos. Sus próximos pasos, dice Tang, serán construir circuitos más complejos y mejorar la eficiencia de su técnica. También intentarán fortalecer la fuerza. Cuanto mayor sea la fuerza, mejor, dice Tang.
El beneficio del trabajo de Yale, según Caltech's Painter, es que los investigadores demostraron las fuerzas utilizadas para cambiar, pero también lo hicieron en un sistema de silicio. Eso es prometedor para la integración futura con estructuras microelectrónicas que ya se procesan en chips de silicio. Con la flexibilidad para controlar las fuerzas directamente en el chip, la funcionalidad clave se agregaría al conjunto de herramientas de microfotónica de silicio. El objetivo final serían los interruptores y dispositivos totalmente ópticos, como un bus óptico que transfiere información a través de una CPU sin ningún componente electrónico.