Investigadores construyen sensores ópticos ultra eficientes que reducen la luz a un chip

MADRID, 23 Feb. (EUROPA PRESS) -

Investigadores de CU Boulder (Estados Unidos) han construido microresonadores ópticos de alto rendimiento que abren la puerta a nuevas tecnologías de sensores. El trabajo se publica en 'Applied Physics Letters'.

En su forma más simple, un microresonador es un dispositivo diminuto que puede atrapar la luz y aumentar su intensidad. Una vez que la intensidad es lo suficientemente alta, los investigadores pueden realizar operaciones de luz únicas.

"Nuestro trabajo consiste en reducir el consumo de energía óptica de estos resonadores para usos futuros", aporta Bright Lu, estudiante de doctorado de cuarto año en ingeniería eléctrica e informática y autor principal del estudio. "Algún día, estos microresonadores podrán adaptarse a una amplia gama de sensores, desde navegación hasta identificación de sustancias químicas".

Para este esfuerzo, el equipo se centró en los resonadores de "pista de carreras", llamados así por su forma alargada que se asemeja a una pista de carreras. En concreto, los investigadores utilizaron las "curvas de Euler", un tipo de curva suave que también se encuentra en el diseño de carreteras y ferrocarriles. Así como los coches no pueden realizar giros rectos cerrados en movimiento, la luz no puede ser forzada a tomar curvas abruptas.

"Estas curvas de pista minimizan las pérdidas por flexión", comenta Won Park, profesor de Ingeniería Eléctrica de la Universidad Sheppard y coasesor del estudio. "Nuestra elección de diseño fue una innovación clave de este proyecto". Al guiar la luz suavemente a través del resonador, redujeron drásticamente la pérdida de luz, permitiendo que los fotones circulen por más tiempo e interactúen más fuertemente dentro del dispositivo. Si se pierde demasiada luz, dice Lu, no se pueden lograr altas intensidades de luz para que estos microresonadores funcionen con el rendimiento necesario.

Increíblemente pequeños en tamaño, los microresonadores fueron construidos utilizando el nuevo sistema de litografía por haz de electrones de la sala limpia de Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC). La instalación proporciona un entorno altamente controlado necesario para trabajar a escalas microscópicas que pueden conducir a un rendimiento confiable del dispositivo. Muchos dispositivos ópticos y fotónicos son más pequeños que el ancho de una hoja de papel, lo que significa que incluso pequeñas partículas de polvo o imperfecciones de la superficie pueden alterar la forma en que la luz viaja a través de un material.

"La litografía tradicional utiliza fotones y está limitada fundamentalmente por la longitud de onda de la luz", aporta Lu. "Sin embargo, la litografía por haz de electrones no tiene esta restricción. Con electrones, podemos crear estructuras con una resolución subnanómetro, lo cual es crucial para nuestros microrresonadores".

Para Lu, el proceso de fabricación práctico fue un aspecto gratificante del proyecto. Un éxito clave del trabajo fue la capacidad de los investigadores de utilizar calcogenuros, un término amplio que abarca una familia de vidrios semiconductores especializados. "Estos calcogenuros son materiales excelentes para la fotónica gracias a su alta transparencia y no linealidad", asegura Park. "Nuestro trabajo representa uno de los dispositivos con mejor rendimiento que utilizan calcogenuros, si no el mejor".

Los calcogenuros fueron útiles ya que tienen una fuerte transparencia para que la luz pase a través del dispositivo a las altas intensidades necesarias para los microresonadores. Sin embargo, los materiales no son fáciles de procesar para el dispositivo, por lo que es necesario lograr un equilibrio. "Los calcogenuros son materiales complejos, pero gratificantes, para dispositivos fotónicos no lineales", agrega la profesora Juilet Gopinath, quien ha trabajado en este proyecto con Park durante más de 10 años. "Nuestros resultados demostraron que minimizar la pérdida por flexión permite dispositivos con pérdidas ultrabajas comparables a los de última generación en otras plataformas de materiales".

Una vez fabricados, los microresonadores se entregaron para su prueba, trabajo dirigido por James Erikson, estudiante de doctorado en física especializado en mediciones láser. Erikson alineó cuidadosamente los láseres con guías de ondas microscópicas, acoplando la luz dentro y fuera del dispositivo mientras monitoreaba su comportamiento en su interior. Así, los investigadores buscaron "caídas" en los datos de luz transmitida que indicaran resonancia al atrapar fotones. Al analizar la forma de estas caídas, pudieron extraer propiedades como la absorción y los efectos térmicos.

"El indicador más obvio de la calidad del dispositivo es la forma de las resonancias, y queremos que sean profundas y estrechas, como una aguja que atraviesa el fondo de la señal", comenta Erikson. "Llevábamos mucho tiempo buscando este tipo de resonador, y cuando vimos las nítidas resonancias de este nuevo dispositivo, supimos de inmediato que por fin habíamos descifrado el código".

Erikson añade que, para fabricar un buen dispositivo, es necesario saber cuánta luz se absorberá y cuánta se transmitirá. Los efectos térmicos cobran importancia al añadir potencia láser, ya que se corre el riesgo de dañar el dispositivo. "La forma en que la mayoría de los materiales interactúan con la luz también cambia según su temperatura", finaliza Erikson. "Por lo tanto, a medida que un dispositivo se calienta, sus propiedades pueden cambiar y hacer que funcione de manera diferente".

En el futuro, los microresonadores podrían utilizarse para microláseres compactos, sensores químicos y biológicos avanzados e incluso herramientas para metrología y redes cuánticas. "Se están desarrollando muchos componentes fotónicos de láseres, moduladores y detectores, y microrresonadores como el nuestro ayudarán a integrar todas esas piezas", adelanta Lu. "Con el tiempo, el objetivo es construir algo que se pueda entregar a un fabricante y producir cientos de miles de ellos".