Los investigadores utilizan ondas sonoras para avanzar en la comunicación óptica

Investigadores de Illinois han demostrado que se pueden utilizar ondas sonoras para producir diodos ópticos ultraminiatura que son lo suficientemente pequeños como para caber en un chip de computadora. Estos dispositivos, llamados aisladores ópticos, pueden ayudar a resolver importantes desafíos de capacidad de datos y tamaño de sistema para los circuitos integrados fotónicos, el equivalente basado en luz de los circuitos electrónicos, que se utilizan para informática y comunicaciones.

Los aisladores son dispositivos no recíprocos o “unidireccionales” similares a los diodos electrónicos. Protegen las fuentes láser de los reflejos posteriores y son necesarios para enrutar señales luminosas a través de redes ópticas. Hoy en día, la tecnología dominante para producir tales dispositivos no recíprocos requiere materiales que cambian sus propiedades ópticas en respuesta a los campos magnéticos, dijeron los investigadores.

"Hay varios problemas con el uso de materiales magnéticamente sensibles para lograr el flujo de luz unidireccional en un chip fotónico", dijo el profesor de ingeniería y ciencias mecánicas y coautor del estudio. Gaurav Bahl. “En primer lugar, la industria simplemente no tiene buena capacidad para colocar imanes compactos en un chip. Pero lo más importante es que los materiales necesarios aún no están disponibles en las fundiciones fotónicas. Es por eso que la industria necesita desesperadamente un enfoque mejor que utilice sólo materiales convencionales y evite los campos magnéticos por completo”.

En un estudio publicado en la revista Fotónica de la naturaleza, los investigadores explican cómo utilizan el minúsculo acoplamiento entre la luz y el sonido para proporcionar una solución única que permite dispositivos no recíprocos con casi cualquier material fotónico.

Sin embargo, el tamaño físico del dispositivo y la disponibilidad de materiales no son los únicos problemas del estado actual de la técnica, afirmaron los investigadores.

"Los intentos de laboratorio para producir aisladores ópticos magnéticos compactos siempre han estado plagados de grandes pérdidas ópticas", dijo el estudiante graduado y autor principal Benjamin Sohn. “La industria de la fotónica no puede permitirse esta pérdida relacionada con el material y también necesita una solución que proporcione suficiente ancho de banda para ser comparable a la técnica magnética tradicional. Hasta ahora, no ha habido ningún enfoque sin imanes que sea competitivo”.

El nuevo dispositivo tiene un tamaño de sólo 200 por 100 micras (unas 10.000 veces más pequeño que un centímetro cuadrado) y está hecho de nitruro de aluminio, un material transparente que transmite la luz y es compatible con las fundiciones fotónicas. “Las ondas sonoras se producen de forma similar a un altavoz piezoeléctrico, utilizando pequeños electrodos escritos directamente sobre el nitruro de aluminio con un haz de electrones. son estos ondas sonoras que obligan a la luz dentro del dispositivo a viajar solo en una dirección. Esta es la primera vez que un aislador sin imán supera el ancho de banda de gigahercios”, dijo Sohn.

Los investigadores están buscando formas de aumentar el ancho de banda o la capacidad de datos de estos aisladores y confían en que podrán superar este obstáculo. Una vez perfeccionados, visualizan aplicaciones transformadoras en sistemas de comunicación fotónica, giroscopios, sistemas GPS, cronometraje atómico y centros de datos.

"Los centros de datos manejan enormes cantidades de tráfico de datos de Internet y consumen grandes cantidades de energía para la creación de redes y para mantener los servidores fríos", dijo Bahl. "La comunicación basada en la luz es deseable porque produce mucho menos calor, lo que significa que se puede gastar mucha menos energía en enfriar el servidor mientras se transmiten muchos más datos por segundo".

Aparte del potencial tecnológico, los investigadores no pueden evitar quedar hipnotizados por la ciencia fundamental detrás de este avance.

"En la vida cotidiana, no vemos las interacciones de la luz con el sonido", dijo Bahl. “La luz puede atravesar un panel de vidrio transparente sin hacer nada extraño. Nuestro campo de investigación ha encontrado que luz y el sonido, de hecho, interactúan de una manera muy sutil. Si se aplican los principios de ingeniería correctos, se puede agitar un material transparente de la manera correcta para mejorar estos efectos y resolver este importante desafío científico. Parece casi mágico”.