Ilustración de un artista de un interruptor óptico, que divide los pulsos de luz según sus energías. Crédito: Y. Wang, N. Thu y S. Zhou
Ingenieros del Instituto de Tecnología de California (Caltech) han desarrollado un interruptor, uno de los componentes más fundamentales de la informática, utilizando componentes ópticos en lugar de electrónicos. Este desarrollo podría contribuir a los esfuerzos para lograr un procesamiento y cálculo ultrarrápido de señales totalmente ópticas.
Mediante el uso de pulsos de luz en lugar de señales eléctricas, los dispositivos ópticos tienen la capacidad de transmitir señales mucho más rápido que los dispositivos eléctricos. Esta es la razón por la que los dispositivos modernos suelen utilizar la óptica para enviar datos. Por ejemplo, los cables de fibra óptica ofrecen velocidades de Internet mucho más rápidas que los cables Ethernet convencionales.
Al hacer más, a velocidades más rápidas y con menos energía, el campo de la óptica tiene el potencial de revolucionar la informática. Sin embargo, una de las principales limitaciones de los sistemas basados en la óptica hoy en día es que, en algún momento, todavía necesitan componentes electrónicos basados en transistores para procesar datos de manera eficiente.
Ahora, utilizando el poder de la no linealidad óptica (más sobre esto más adelante), un equipo de ingenieros dirigido por Alireza Marandi, profesora asistente de ingeniería eléctrica y física aplicada en Caltech, ha creado un interruptor totalmente óptico. Tal interruptor posiblemente podría permitir el procesamiento de datos utilizando fotones. La investigación fue publicada el 28 de julio en la revista Fotónica de la naturaleza.
Los interruptores se encuentran entre los componentes más simples de una computadora. Una señal ingresa al interruptor y, según ciertas condiciones, el interruptor permite que la señal avance o la detenga. Esta propiedad de encendido/apagado es la base de las puertas lógicas y la computación binaria, y es para lo que se diseñaron los transistores digitales. Sin embargo, hasta este nuevo avance, lograr la misma función con la luz ha resultado difícil. A diferencia de los electrones en los transistores, que pueden afectar fuertemente el flujo de los demás y, por lo tanto, causar “conmutación”, los fotones generalmente no interactúan fácilmente entre sí.
Dos cosas hicieron posible el avance: el material utilizado por el equipo de Marandi y la forma en que lo utilizaron. En primer lugar, eligieron un material cristalino conocido como niobato de litio, una combinación de niobio, litio y oxígeno que no existe en la naturaleza pero que, en los últimos 50 años, ha demostrado ser esencial en el campo de la óptica. El material es inherentemente no lineal: debido a la forma particular en que los átomos están dispuestos en el cristal, las señales ópticas que produce en la salida no son proporcionales a las señales de entrada.
Si bien los cristales de niobato de litio se han utilizado en óptica durante décadas, los avances más recientes en las técnicas de nanofabricación han permitido a Marandi y su equipo crear dispositivos fotónicos integrados basados en niobato de litio que pueden confinar la luz en un espacio diminuto. Cuanto menor sea el espacio, mayor será la intensidad de la luz con la misma potencia. Como resultado, los pulsos de luz que transportan información a través de un sistema óptico de este tipo podrían proporcionar una respuesta no lineal más fuerte de lo que sería posible de otro modo.
Marandi y sus compañeros también confinaron la luz temporalmente. Esencialmente, redujeron la duración de los pulsos de luz y usaron un diseño específico que mantendría los pulsos cortos mientras se propagaban a través del dispositivo, lo que le dio a cada pulso una potencia máxima más alta.
El efecto combinado de estas dos tácticas – el espaciotemporal confinamiento de la luz – es mejorar drásticamente la fuerza de la no linealidad para una energía de pulso dada, lo que significa que los fotones ahora se afectan entre sí con mucha más fuerza.
El resultado neto es la creación de un divisor no lineal en el que los pulsos de luz se enrutan a dos salidas diferentes en función de sus energías, lo que permite la conmutación en menos de 50 femtosegundos (un femtosegundo es una milmillonésima de segundo). En comparación, los interruptores electrónicos de última generación tardan decenas de picosegundos (un picosegundo es una billonésima de segundo), una diferencia de varios órdenes de magnitud.
Referencia: “Conmutación totalmente óptica de femtosegundo de femtojulio en nanofotónica de niobato de litio” por Qiushi Guo, Ryoto Sekine, Luis Ledezma, Rajveer Nehra, Devin J. Dean, Arkadev Roy, Robert M. Gray, Saman Jahani y Alireza Marandi, 28 de julio de 2022 , Fotónica de la naturaleza.
DOI: 10.1038/s41566-022-01044-5
Los coautores principales son el investigador postdoctoral de Caltech Qiushi Guo y los estudiantes graduados Ryoto Sekine y Luis Ledezma. Los coautores de Caltech son el investigador postdoctoral Rajveer Nehra; los estudiantes de posgrado Arkadev Roy y Robert M. Gray; y Saman Jahani, quien era investigador postdoctoral en Caltech en el momento de esta investigación. Los coautores también incluyen a Devin J. Dean, quien fue miembro de WAVE en Caltech. La nanofabricación del dispositivo se llevó a cabo en el Kavli Nanoscience Institute (KNI) de Caltech. Esta investigación fue financiada por la Oficina de Investigación del Ejército (ARO), la Fundación Nacional de Ciencias,[{” attribute=””>JPL (which Caltech manages for NASA), and NTT Research.
