Un avance de Caltech acerca la eficiencia de la fibra óptica a los chips de silicio

Investigadores del California Institute of Technology (Caltech) lograron un avance significativo al crear caminos ópticos de ultra-bajo pérdida en chips de silicio, alcanzando niveles de eficiencia que se acercan a los de la fibra óptica. Este descubrimiento podría abrir la puerta a nuevas tecnologías más potentes, incluyendo láseres, sensores atómicos miniaturizados y sistemas cuánticos, además de hacer más eficientes los centros de datos.

La fibra óptica es un componente clave en la infraestructura de comunicaciones moderna, permitiendo que la información viaje a altas velocidades y largas distancias gracias a su pureza y a una superficie extremadamente lisa. Esto minimiza la pérdida de luz durante su transmisión. El equipo de Caltech, liderado por el profesor Kerry Vahala, ha trabajado durante años para trasladar la fabricación de fibra óptica a chips de silicio, manteniendo la característica de baja pérdida.

"Hemos desarrollado un método para imprimir circuitos ópticos, hechos del mismo material que la fibra óptica, directamente sobre obleas de 8 y 12 pulgadas, utilizadas en chips de computadora. Esta transición hacia un rendimiento similar al de la fibra, especialmente en longitudes de onda visibles, permitirá el desarrollo de nuevas tecnologías que se beneficien de una pérdida de energía en los circuitos prácticamente despreciable", explicó Vahala.

El equipo publicó sus hallazgos en un artículo reciente en la revista Nature, donde los autores principales son el investigador postdoctoral Hao-Jing Chen y el estudiante de posgrado Kellan Colburn.

Creación de guías de onda en chips

Los investigadores utilizaron germano-silicato, el mismo tipo de vidrio usado en la fibra óptica, para crear guías de onda que canalizan la luz. Adaptaron este material a un método de fabricación basado en litografía, adecuado para crear dispositivos en obleas.

Las guías de onda no siguen una línea recta, sino que están dispuestas en espirales, permitiendo que la luz viaje a lo largo de un camino óptico mucho más largo, pero dentro de un área muy pequeña. Esto es similar a enrollar fibra óptica alrededor de un carrete, pero la nanofabricación permite ajustar el camino en un espacio mucho más reducido.

El doctor Henry Blauvelt, asociado visitante en física aplicada y ciencia de materiales en Caltech, destacó que estas guías de onda de germano-silicato demuestran una pérdida extremadamente baja y son fácilmente adaptables para transferir luz entre fibras ópticas y láseres semiconductores, lo que es crucial para reducir los costos energéticos de la infraestructura de servidores.

Ventajas significativas en longitudes de onda visibles

Los dispositivos construidos con esta nueva plataforma de Caltech ya han igualado el rendimiento de algunos de los mejores dispositivos previos hechos de nitruro de silicio, ampliamente utilizado en tecnología óptica. Sin embargo, la ventaja se amplía en longitudes de onda visibles, donde la nueva plataforma de germano-silicato supera significativamente al nitruro de silicio.

"Podemos colocar nuestros dispositivos en un horno para 'reflujo' la superficie de nuestras guías de onda, logrando una suavidad a nivel atómico, lo que minimiza la pérdida por dispersión, un problema que ha limitado a los circuitos integrados fotónicos convencionales en longitudes de onda visibles", añadió Chen. "En longitudes de onda visibles, nuestra plataforma supera el récord del nitruro de silicio por un factor de 20, y tenemos más margen para mejorar".

La reducción de pérdidas puede impactar drásticamente el rendimiento de los dispositivos ópticos. Por ejemplo, los láseres producidos con esta nueva plataforma muestran más de 100 veces de mejora en la coherencia de la luz en comparación con diseños anteriores.

Aplicaciones en tecnología cuántica y más

La capacidad de crear guías de onda de ultra-bajo pérdida en longitudes de onda visibles podría ser útil en diversas tecnologías, incluyendo sensores atómicos en chip, relojes ópticos y sistemas de trampa iónica. Los investigadores consideran que estos resultados son solo el inicio y que aún hay mucho por avanzar.

El estudio fue financiado por varias instituciones, incluyendo la Defense Advanced Research Projects Agency y el Air Force Research Laboratory.

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