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La rebanada de silicio, con el patrón en forma de código de barras. Fuente: Universidad Stanford.
Ingenieros de la Universidad Stanford (California, EE.UU.) han diseñado y construido un dispositivo parecido a un prisma que puede dividir un haz de luz en diferentes colores y doblar la luz en ángulo recto, un desarrollo que con el tiempo podría llevar a los ordenadores a utilizar la óptica, en lugar de la electricidad, para transmitir datos.
Los investigadores describen lo que denominan "enlace óptico" en un artículo en Scientific Reports.
El enlace óptico es una pequeña rebanada de silicio grabada con un patrón que se asemeja a un código de barras. Cuando un haz de luz alumbra el enlace, dos longitudes de onda (colores) diferentes de luz se separan en ángulos rectos, en forma de T. Se trata de un importante paso hacia la creación de un sistema completo que conecte componentes de computadora con luz en lugar de cables.
"La luz puede transportar más datos que un cable, y se necesita menos energía para transmitir fotones que los electrones", explica la profesora de ingeniería eléctrica Jelena Vuckovic, que dirigió la investigación, en la información de Stanford.
En trabajos anteriores su equipo desarrolló un algoritmo que hacía dos cosas: Automatizaba el proceso de diseño de estructuras ópticas y permitía crear estructuras a nanoescala para controlar la luz previamente inimaginables.
Ahora, ella y el autor principal Alexander Piggott, aspirante a doctorado en ingeniería eléctrica, han empleado ese algoritmo para diseñar, construir y probar un enlace compatible con las redes de fibra óptica actuales.
Creación de un prisma de silicio
La estructura se desarrolló grabando en silicio un pequeño patrón de código de barras, que dividía las ondas de luz como un prisma a pequeña escala. El equipo diseñó este efecto utilizando de forma sutil el cambio de la velocidad de la luz cuando atraviesa diferentes materiales.
Lo que llamamos velocidad de la luz es en realidad la rapidez con que la luz viaja en el vacío. La luz viaja un poco más lentamente en el aire e incluso más lentamente en el agua. Esta diferencia de velocidad es la razón por la que una pajita en un vaso de agua parece dislocada.
Una propiedad de los materiales llamada índice de refracción caracteriza esta diferencia de velocidad. Cuanto mayor sea el índice, más lentamente viajará la luz en ese material. El aire tiene un índice de refracción de casi 1 y el agua de 1,3. La luz infrarroja viaja a través del silicio aún más lentamente: tiene un índice de refracción de 3,5.
El algoritmo de Stanford diseñó una estructura que alternaba tiras de silicio con huecos de aire de una determinada forma. El dispositivo aprovecha el hecho de que cuando la luz pasa de un medio a otro, parte de la luz se refleja y parte transmite. Cuando la luz viajaba a través del código de barras de silicio, la luz reflejada interfería con la luz transmitida de manera compleja.
El algoritmo diseñó el código de barras para usar esta interferencia sutil de modo que dirigiera una longitud de onda hacia la izquierda y una longitud de onda diferente hacia la derecha, todo dentro de un chip de silicio minúsculo, de ocho micras de largo.
Haces de luz de 1.300 nanómetros y de 1.550 nanómetros, correspondientes a las longitudes de onda de la banda C y de la banda O, utilizadas extensamente en las redes de fibra óptica, fueron lanzados hacia el dispositivo desde arriba. La estructura de código de barras redirigió la luz de la banda C en un sentido y la luz de la banda O en el otro.
Los investigadores describen lo que denominan "enlace óptico" en un artículo en Scientific Reports.
El enlace óptico es una pequeña rebanada de silicio grabada con un patrón que se asemeja a un código de barras. Cuando un haz de luz alumbra el enlace, dos longitudes de onda (colores) diferentes de luz se separan en ángulos rectos, en forma de T. Se trata de un importante paso hacia la creación de un sistema completo que conecte componentes de computadora con luz en lugar de cables.
"La luz puede transportar más datos que un cable, y se necesita menos energía para transmitir fotones que los electrones", explica la profesora de ingeniería eléctrica Jelena Vuckovic, que dirigió la investigación, en la información de Stanford.
En trabajos anteriores su equipo desarrolló un algoritmo que hacía dos cosas: Automatizaba el proceso de diseño de estructuras ópticas y permitía crear estructuras a nanoescala para controlar la luz previamente inimaginables.
Ahora, ella y el autor principal Alexander Piggott, aspirante a doctorado en ingeniería eléctrica, han empleado ese algoritmo para diseñar, construir y probar un enlace compatible con las redes de fibra óptica actuales.
Creación de un prisma de silicio
La estructura se desarrolló grabando en silicio un pequeño patrón de código de barras, que dividía las ondas de luz como un prisma a pequeña escala. El equipo diseñó este efecto utilizando de forma sutil el cambio de la velocidad de la luz cuando atraviesa diferentes materiales.
Lo que llamamos velocidad de la luz es en realidad la rapidez con que la luz viaja en el vacío. La luz viaja un poco más lentamente en el aire e incluso más lentamente en el agua. Esta diferencia de velocidad es la razón por la que una pajita en un vaso de agua parece dislocada.
Una propiedad de los materiales llamada índice de refracción caracteriza esta diferencia de velocidad. Cuanto mayor sea el índice, más lentamente viajará la luz en ese material. El aire tiene un índice de refracción de casi 1 y el agua de 1,3. La luz infrarroja viaja a través del silicio aún más lentamente: tiene un índice de refracción de 3,5.
El algoritmo de Stanford diseñó una estructura que alternaba tiras de silicio con huecos de aire de una determinada forma. El dispositivo aprovecha el hecho de que cuando la luz pasa de un medio a otro, parte de la luz se refleja y parte transmite. Cuando la luz viajaba a través del código de barras de silicio, la luz reflejada interfería con la luz transmitida de manera compleja.
El algoritmo diseñó el código de barras para usar esta interferencia sutil de modo que dirigiera una longitud de onda hacia la izquierda y una longitud de onda diferente hacia la derecha, todo dentro de un chip de silicio minúsculo, de ocho micras de largo.
Haces de luz de 1.300 nanómetros y de 1.550 nanómetros, correspondientes a las longitudes de onda de la banda C y de la banda O, utilizadas extensamente en las redes de fibra óptica, fueron lanzados hacia el dispositivo desde arriba. La estructura de código de barras redirigió la luz de la banda C en un sentido y la luz de la banda O en el otro.
Optimización
Los investigadores diseñaron estos patrones de códigos de barras a sabiendas de lo que querían obtener. "Queríamos ser capaces de dejar que el software diseñara una estructura de un tamaño concreto dando solo las entradas y salidas deseadas para el dispositivo", explica Vuckovic.
Para diseñar el sistema adaptaron los conceptos de optimización convexa, un enfoque matemático para resolver problemas complejos, como el trading de Bolsa. Con la ayuda del profesor de ingeniería eléctrica de Stanford Stephen Boyd, experto en optimización convexa, descubrieron cómo crear automáticamente nuevas formas a nanoescala para provocar que la luz se comportara de una manera específica.
"Durante muchos años, los investigadores en nanofotónica crearon estructuras utilizando geometrías simples y formas regulares", recuerda Vuckovic. "Las estructuras que se producen con este algoritmo no se parecen a nada que se haya hecho antes."
El algoritmo comenzó su trabajo con un diseño simple hecho sólo de silicio. Luego, a través de cientos de pequeños ajustes, descubrieron cada vez mejores estructuras de código de barras para el resultado deseado en la luz de salida.
Los diseños anteriores de estructuras nanofotónicas se basaban en patrones geométricos regulares y la intuición del diseñador. El algoritmo de Stanford puede diseñar esta estructura en sólo 15 minutos en un ordenador portátil.
También han utilizado este algoritmo para diseñar una amplia variedad de otros dispositivos, como las estructuras supercompactas de tipo queso suizo que distribuyen los rayos de luz en diferentes salidas basándose no en su color, sino en su modo, es decir, en función de su apariencia. Por ejemplo, un haz de luz con un solo lóbulo en su sección transversal va hacia una salida, y un haz de doble lóbulo (que tiene la apariencia de dos ríos corriendo uno junto a otro) va hacia la otra salida. Un enrutador como éste es igual de importante que el divisor de colores, ya que los diferentes modos se utilizan también en las comunicaciones ópticas para transmitir información.
El algoritmo es la clave. Da a los investigadores una herramienta para crear componentes ópticos que realicen funciones específicas, y en muchos casos los componentes ni siquiera existían. "No hay manera de diseñar analíticamente este tipo de dispositivos", concluye Piggott.
Los investigadores diseñaron estos patrones de códigos de barras a sabiendas de lo que querían obtener. "Queríamos ser capaces de dejar que el software diseñara una estructura de un tamaño concreto dando solo las entradas y salidas deseadas para el dispositivo", explica Vuckovic.
Para diseñar el sistema adaptaron los conceptos de optimización convexa, un enfoque matemático para resolver problemas complejos, como el trading de Bolsa. Con la ayuda del profesor de ingeniería eléctrica de Stanford Stephen Boyd, experto en optimización convexa, descubrieron cómo crear automáticamente nuevas formas a nanoescala para provocar que la luz se comportara de una manera específica.
"Durante muchos años, los investigadores en nanofotónica crearon estructuras utilizando geometrías simples y formas regulares", recuerda Vuckovic. "Las estructuras que se producen con este algoritmo no se parecen a nada que se haya hecho antes."
El algoritmo comenzó su trabajo con un diseño simple hecho sólo de silicio. Luego, a través de cientos de pequeños ajustes, descubrieron cada vez mejores estructuras de código de barras para el resultado deseado en la luz de salida.
Los diseños anteriores de estructuras nanofotónicas se basaban en patrones geométricos regulares y la intuición del diseñador. El algoritmo de Stanford puede diseñar esta estructura en sólo 15 minutos en un ordenador portátil.
También han utilizado este algoritmo para diseñar una amplia variedad de otros dispositivos, como las estructuras supercompactas de tipo queso suizo que distribuyen los rayos de luz en diferentes salidas basándose no en su color, sino en su modo, es decir, en función de su apariencia. Por ejemplo, un haz de luz con un solo lóbulo en su sección transversal va hacia una salida, y un haz de doble lóbulo (que tiene la apariencia de dos ríos corriendo uno junto a otro) va hacia la otra salida. Un enrutador como éste es igual de importante que el divisor de colores, ya que los diferentes modos se utilizan también en las comunicaciones ópticas para transmitir información.
El algoritmo es la clave. Da a los investigadores una herramienta para crear componentes ópticos que realicen funciones específicas, y en muchos casos los componentes ni siquiera existían. "No hay manera de diseñar analíticamente este tipo de dispositivos", concluye Piggott.
Referencia bibliográfica:
Alexander Y. Piggott, Jesse Lu, Thomas M. Babinec, Konstantinos G. Lagoudakis, Jan Petykiewicz & Jelena Vučković. Inverse design and implementation of a wavelength demultiplexing grating coupler. Scientific Reports (2014). DOI:10.1038/srep07210.
Alexander Y. Piggott, Jesse Lu, Thomas M. Babinec, Konstantinos G. Lagoudakis, Jan Petykiewicz & Jelena Vučković. Inverse design and implementation of a wavelength demultiplexing grating coupler. Scientific Reports (2014). DOI:10.1038/srep07210.
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