Un equipo de investigación científica del Joint Quantum Institute (JQI) de la Universidad de Maryland en Estados Unidos ha desarrollado recientemente con éxito un nuevo chip que puede convertir y producir de forma estable láseres de múltiples colores sin control externo. Se espera que este avance impulse la tecnología de integración fotónica en consonancia con la revolución de la tecnología de semiconductores, allanando el camino para el uso práctico de redes de comunicación cuánticas e instrumentos ópticos de precisión.
Durante años, los científicos han estado trabajando arduamente para miniaturizar herramientas experimentales ópticas a gran escala, como láseres, lentes y espejos, e integrarlas en chips del tamaño de una uña. Miniaturizar estos dispositivos es clave para aumentar las velocidades de comunicación de datos, crear relojes atómicos de ultra alta precisión y escalar computadoras cuánticas que utilizan luz en lugar de señales electrónicas. Sin embargo, cómo dividir un láser monocromático en múltiples componentes en un pequeño chip para lograr la generación de múltiples frecuencias nuevas siempre ha sido un problema que plaga este campo.
Un equipo de investigación de Maryland ha superado esta dificultad. Diseñaron y construyeron un chip que convierte un solo color de luz láser en tres frecuencias de luz distintas. Más importante aún, este proceso no requiere entrada activa externa ni ajustes complejos, lo que mejora significativamente la repetibilidad y estabilidad de la señal óptica integrada. Los resultados relevantes se han publicado en la revista Science.
A diferencia de los dispositivos ópticos tradicionales como los prismas, que sólo se encargan de descomponer los colores existentes, este chip puede "crear" nuevas frecuencias de luz que originalmente no existen. Lograr nuevas frecuencias de luz depende de efectos ópticos no lineales: sólo la iluminación de alta intensidad cambia las propiedades ópticas de los materiales, lo que a su vez afecta a la luz misma. Este tipo de efecto no lineal se descubrió hace más de 60 años (como la "generación de segundo armónico" en 1961), pero el efecto en sí es demasiado débil y ha sido difícil de explotar eficazmente en el pasado.
Los chips fotónicos integrados modernos utilizan pequeñas cavidades resonantes en las que la luz circula millones de veces, mejorando enormemente los efectos no lineales. Pero aun así, pequeños cambios en la fabricación, temperatura, estructura, etc. del chip aún hacen que la combinación de frecuencia de salida sea extremadamente inestable.
La nueva solución del equipo de JQI elimina por completo la necesidad de ajustes repetidos al diseñar una cavidad resonante que "sesga" la interacción no lineal requerida. Mohammad Hafezi, líder del proyecto, investigador de JQI y profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática y Física de la Universidad de Maryland, dijo que este logro no solo mejora el rendimiento, sino que también proporciona replicabilidad para la producción en masa y la integración real. El chip puede generar continuamente el mismo espectro sin necesidad de control activo, lo que se espera que simplifique en gran medida la dificultad de integrar sistemas fotónicos a gran escala.
A medida que la tecnología de generación de frecuencia en chip se vuelva confiable, puede convertirse en la base central para la transmisión de información cuántica basada en fotones en el futuro. Cada color de luz corresponde a una frecuencia única. La combinación estable a nivel atómico de múltiples frecuencias mejorará en gran medida la precisión de la detección sensible a la fase, la distancia y el tiempo, beneficiando campos de vanguardia como la computación cuántica y los relojes atómicos portátiles.