En contra de la sabiduría convencional, los científicos han descubierto un nuevo mecanismo de acoplamiento que implica modos de fuga que anteriormente se consideraba inadecuado para la integración de circuitos fotónicos de alta densidad. Este sorprendente descubrimiento allana el camino para la integración fotónica de alta densidad, cambiando el potencial y la escalabilidad de los chips fotónicos en áreas como la computación óptica, las comunicaciones cuánticas, la detección y alcance de la luz (LiDAR), la metrología óptica y la detección bioquímica.
En un número reciente de la revista Light Science & Application, Sangsik Kim, profesor asociado del Departamento de Ingeniería Eléctrica del Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea (KAIST), y sus estudiantes de la Universidad Tecnológica de Texas demostraron que las ondas anisotrópicas con fugas pueden lograr una diafonía cero entre guías de ondas idénticas estrechamente espaciadas utilizando metamateriales de rejilla de sublongitud de onda (SWG). Este descubrimiento contrario a la intuición aumenta en gran medida la longitud de acoplamiento de los modos magnéticos transversales (TM), que han sido un desafío debido a su bajo confinamiento.
Esta investigación se basa en su trabajo anterior sobre el uso de metamateriales SWG para reducir la diafonía óptica, incluido el control de la profundidad de la piel de las ondas de evaporación y el acoplamiento especial en modos de ondas guiadas anisotrópicas. Recientemente, SWG ha logrado avances significativos en el campo de la fotónica, permitiendo una variedad de componentes PIC de alto rendimiento. Sin embargo, la densidad de integración del modo TM aún enfrenta desafíos, y su diafonía es aproximadamente 100 veces mayor que la del modo eléctrico lateral (TE), lo que dificulta la integración de chips de alta densidad.
"Nuestro grupo de investigación ha estado explorando SWG para una integración fotónica densa y ha logrado mejoras significativas. Sin embargo, los métodos anteriores se limitaban a la polarización TE. En los chips fotónicos, existe otro TM de polarización ortogonal, que puede duplicar la capacidad del chip y, a veces, es más popular que el TE, como en la detección de campo de gradiente". Kim explicó: "TM es más difícil de integrar densamente que TE porque la relación de aspecto de su guía de ondas es generalmente más baja y menos restrictiva".
Inicialmente, el equipo pensó que sería imposible reducir la diafonía utilizando SWG porque esperaban que los modos con fugas mejoraran el acoplamiento entre guías de ondas. Sin embargo, se centraron en el potencial de las perturbaciones anisotrópicas con modos de fuga y asumieron que se podría lograr la cancelación cruzada.
Al realizar un análisis de modo acoplado de las propiedades modales de los modos SWG con fugas, descubrieron perturbaciones anisotrópicas únicas con modos de fuga similares, lo que permitió una diafonía cero entre guías de ondas SWG idénticas y poco espaciadas. Utilizando la simulación de límites de Floquet, diseñaron una guía de ondas SWG factible en la plataforma de silicio sobre aislante (SOI) estándar de la industria. En comparación con las guías de ondas de tira, su efecto de supresión de diafonía es significativo y la longitud del acoplamiento aumenta en más de dos órdenes de magnitud.
Este avance también reduce significativamente los niveles de ruido dentro de los PIC, con posibles implicaciones para las comunicaciones y la informática cuánticas, la metrología óptica y la detección bioquímica. Los investigadores enfatizaron además las amplias implicaciones de su trabajo, señalando que este novedoso mecanismo de acoplamiento podría extenderse a otras plataformas fotónicas integradas y rangos de longitud de onda, incluidos el visible, el infrarrojo medio y los terahercios más allá de las bandas de telecomunicaciones.
Este sorprendente mecanismo de acoplamiento amplía el potencial de la integración fotónica densa, rompe la sabiduría convencional y hace avanzar el campo. A medida que continúa la investigación, es probable que la industria de la fotónica avance hacia tecnologías de circuitos integrados más densos, menos ruidosos y más eficientes.