Luz UV ultrarrápida: un avance que podría revolucionar las comunicaciones

Las tecnologías fotónicas que operan en el rango ultravioleta UV-C (100–280 nm) desempeñan un papel crucial en campos que van desde la microscopía de superresolución hasta las comunicaciones ópticas. A medida que estas tecnologías mejoran, se espera que abran nuevos caminos en la ciencia y la ingeniería. Una de las características más valiosas de la luz UV-C es su fuerte dispersión en la atmósfera, lo que la hace especialmente útil para la comunicación fuera de línea de visión. Esta propiedad permite transmitir datos incluso cuando obstáculos bloquean el camino directo entre el emisor y el receptor. Sin embargo, a pesar de esta promesa, el progreso se ha visto ralentizado por la falta de componentes prácticos capaces de funcionar de manera confiable con luz UV-C.

Investigadores han abordado este desafío en un estudio publicado en Light: Science & Applications. El trabajo fue liderado por Amalia Patané de la Universidad de Nottingham y John W. G. Tisch del Imperial College London. Su equipo desarrolló una nueva plataforma que puede generar y detectar pulsos láser UV-C extremadamente cortos.

El sistema combina una fuente de láser UV-C ultrarrápido con detectores UV-C fabricados a partir de semiconductores atómicamente delgados (2DSEM). Para crear los pulsos láser, los investigadores utilizaron procesos no lineales de segundo orden con coincidencia de fase. Este enfoque se basa en la generación de segundo armónico en cristales no lineales, produciendo pulsos UV-C que duran solo femtosegundos, menos de 1 billonésima de segundo.

Detección de pulsos femtosegundos a temperatura ambiente

Los pulsos ultracortos se detectaron a temperatura ambiente utilizando fotodetectores basados en el seleniuro de galio (GaSe) y su capa de óxido de banda ancha (Ga2O3). Es importante destacar que todos los materiales utilizados en el sistema son compatibles con técnicas de fabricación escalables, lo que hace que el enfoque sea práctico más allá del laboratorio.

Para demostrar las capacidades del sistema, los investigadores construyeron un montaje de comunicación en espacio libre. En esta prueba de concepto, la información se codificó en el láser UV-C por el transmisor de la fuente y luego se decodificó con éxito por el sensor de semiconductor 2D que actuó como receptor.

Comportamiento inesperado del sensor

La profesora Patané, quien lideró el desarrollo del sensor, explicó lo que hace que los resultados sean destacados: "Este trabajo combina por primera vez la generación de pulsos láser UV-C femtosegundos con su rápida detección por semiconductores 2D. Inesperadamente, los nuevos sensores exhiben una respuesta de fotocorriente lineal a superlineal en función de la energía del pulso, una propiedad altamente deseable, que sienta las bases para fotónica UV-C que opere en escalas de tiempo de femtosegundos a través de un amplio rango de energías de pulso y tasas de repetición."

Generación de láser eficiente y escalado futuro

El profesor Tisch, quien lideró el trabajo en la fuente láser, destacó la importancia de la eficiencia: "Hemos explotado procesos de segundo orden con coincidencia de fase en cristales ópticos no lineales para la generación eficiente de luz láser UV-C. La alta eficiencia de conversión marca un hito significativo y proporciona una base para una mayor optimización y escalado del sistema en una fuente UV-C compacta."

Implicaciones para tecnologías futuras

La capacidad de generar y detectar pulsos láser UV-C femtosegundos podría tener efectos de gran alcance en muchas aplicaciones avanzadas. El fuerte rendimiento de detección de los materiales 2D apoya el desarrollo de plataformas integradas que combinan fuentes de luz y detectores en un solo sistema. Tales plataformas podrían ser especialmente útiles para la comunicación en espacio libre entre sistemas autónomos y tecnologías robóticas.

Debido a que estos componentes son compatibles con la integración monolítica en circuitos fotónicos integrados, también podrían habilitar una amplia gama de tecnologías futuras, incluyendo imágenes de banda ancha y espectroscopía ultrarrápida que operen en escalas de tiempo de femtosegundos.