Investigadores del Instituto de Tecnología de California (Caltech) anunciaron recientemente un importante avance tecnológico. Han desarrollado con éxito una nueva tecnología que puede lograr una pérdida extremadamente baja de transmisión de señales ópticas en obleas de silicio, y su rendimiento incluso se acerca al nivel de las fibras ópticas tradicionales en la banda de luz visible.
Este logro marca un paso clave en el campo de los circuitos integrados fotónicos (PIC), allanando el camino para el desarrollo de una nueva generación de dispositivos optoelectrónicos con excelente coherencia y pérdida de energía extremadamente baja. La investigación detalla un método de uso de materiales de fibra óptica para construir caminos ópticos directamente en el chip, y el artículo relacionado se publicó en la revista Nature.
Durante mucho tiempo, la fibra óptica se ha convertido en la piedra angular de las redes de comunicación globales con su material de vidrio de altísima pureza y su superficie atómicamente lisa, capaz de transmitir cantidades masivas de datos con pérdidas extremadamente bajas. Un equipo liderado por Kerry Vahala, profesor de física aplicada y ciencia y tecnología de la información en el Instituto de Tecnología de California, se compromete a "trasplantar" el proceso de fabricación de esta fibra óptica a las obleas de silicio utilizadas en la producción de chips de ordenador. El equipo de investigación utilizó el mismo material de vidrio de germanosilicato que la fibra óptica y utilizó tecnología de fotolitografía para construir un canal de transmisión de luz llamado "guía de ondas" en el chip. Para resolver el problema de la rugosidad de la superficie a escala microscópica, los investigadores introdujeron un proceso innovador: colocar el chip en un horno de alta temperatura para un procesamiento de "reflujo", de modo que la superficie de la guía de ondas se funda y se alise hasta el nivel atómico. Este procesamiento suprime en gran medida la pérdida por dispersión de la luz y resuelve el cuello de botella clave que ha restringido durante mucho tiempo el desarrollo de circuitos integrados fotónicos en la banda de luz visible.
Los resultados de las pruebas muestran que el rendimiento de este nuevo chip en la banda del infrarrojo cercano es equivalente a la actual tecnología líder de nitruro de silicio, mientras que en la banda de luz visible, su rendimiento ha logrado un salto cualitativo, con la pérdida reducida a una vigésima parte del récord de nitruro de silicio. Esta propiedad de pérdida ultrabaja tiene un profundo impacto en el rendimiento del dispositivo; por ejemplo, los láseres construidos con esta tecnología tienen tiempos de coherencia óptica que son más de 100 veces más largos que las versiones existentes. Hao-Jing Chen, primer autor del artículo de investigación y becario postdoctoral en Caltech, señaló que la expansión de la cobertura de longitud de onda de esta plataforma respaldará muchas operaciones atómicas importantes, haciendo posible implementar sensores atómicos a escala de chip, relojes ópticos y sistemas de trampa de iones.
Aunque el tamaño de estos chips es de sólo unos 2 centímetros, el diseño de su trayectoria óptica interna adopta una estructura en espiral, que amplía enormemente la distancia de propagación de la luz en un espacio pequeño. El estudiante de posgrado Kellan Colburn explicó que para componentes ópticos clave, como los resonadores de anillo, cuanto más larga sea la distancia que circule la luz en ellos, menores serán las pérdidas y mejor será el rendimiento del dispositivo. Cada reducción de 10 veces en la pérdida conduce a una mejora de 100 veces en la coherencia. Esta tecnología no sólo es tan versátil como una "navaja suiza" y puede usarse ampliamente en campos que van desde la sincronización de alta precisión, la medición de la rotación (giroscopio) hasta la computación y la detección cuánticas, sino que también es de gran importancia para reducir el consumo general de energía de la infraestructura de servidores del centro de datos. Aunque el equipo de investigación afirmó que los resultados actuales aún no han alcanzado el objetivo final, el progreso significativo de los últimos cinco años ha trazado un plan claro para futuras aplicaciones de la tecnología fotónica.