Investigadores de la Universidad de Lehigh, Japón y Canadá han dado un importante paso en comunicaciones ópticas acercándose más hacia la transmisión de datos completamente óptica mediante la construcción y la demostración de lo que llaman la «primera guía de ondas totalmente funcional del mundo en un cristal de una sola pieza». 

Una imagen de microscopio de campo de luz polarizada muestra cruces de cristal escritos dentro de un vidrio con un láser de femtosegundo.  Al diverger (a), se desarrollan orientaciones reticulares independientes en cada rama y se conservan (b) cuando las ramas se unen de nuevo en una sola línea. La rueda de color indica el ángulo del eje rápido o lento de la birrefringencia. Imagen cortesía de la Universidad de Lehigh.

En un artículo publicado en Scientific Reports, el grupo detalla que utilizó el láser de femtosegundos ultrarrápidos para producir un solo cristal tridimensional capaz de guiar las ondas de luz a través del cristal con poca pérdida de luz.

El grupo dice que su logro impulsará los esfuerzos en curso para el desarrollo de circuitos integrados fotónicos (PIC), que son más pequeños, más barato, más eficientes en su consumo energético y más fiables que las redes actuales que utilizan componentes optoelectrónicos discretos – guías de onda, divisores, moduladores, filtros, Amplificadores- -para transportar señales ópticas.

«Una tendencia importante en la óptica», escriben los investigadores, «ha sido un impulso hacia … reemplazando los sistemas de grandes componentes discretos que proporcionan funciones individuales con PICs compactos y multifuncionales, casi de la misma manera que la integración de la electrónica ha impulsado los impresionantes avances de los sistemas informáticos modernos «.

Necesidad de técnicas de fabricación 3D

Para hacer esta transición, sin embargo, se requieren métodos mejorados de fabricación de los PIC 3D dicen los investigadores.

«Los métodos empleados actualmente para la fabricación de los PIC son procesos de fotolitografía y otros adecuados para geometrías planas», escriben los investigadores. «Las técnicas de fabricación PIC 3D permitirían una densidad mucho mayor de componentes y dispositivos mucho más compactos, a la vez que se crearían oportunidades para nuevas tecnologías, tales como memorias ópticas 3D de alta densidad.»

Para fabricar PICs 3D, dicen los investigadores, es necesario, en primer lugar, evitar que la luz se disperse a medida que se transmite y, en segundo, transmitir y manipular señales de luz lo suficientemente rápido para manejar cada vez más grandes cantidades de datos.

El vidrio, un material amorfo con una estructura atómica intrínsecamente desordenada, no puede responder a estos desafíos, dicen los investigadores. Los cristales, con su estructura reticular específica altamente ordenada, tienen las cualidades ópticas requeridas.

«Las guías de ondas amorfas fundamentalmente carecen de no linealidad óptica de segundo orden debido a su estructura atómica isótropicamente desordenada «, escriben los investigadores, «por lo que ciertas aplicaciones fotónicas que no sólo transportan, sino que también manipulan señales fotónicas … requieren sustratos cristalinos con respuesta óptica no lineal de segundo orden.

«La capacidad de realizar patrones de cristales ópticos no lineales en vidrio es por lo tanto esencial para la fabricación láser de PICs 3D para alcanzar todo su potencial.»

Para crear patrones de cristales en vidrio, el grupo utilizó láseres de femtosegundos, cuya velocidad y precisión hacen que sean útiles para las cirugías de catarata y otras oculares. Un femtosegundo es una cuadrillonésima, o 10-15 de un segundo. Los pulsos emitidos por el láser de femtosegundos duran entre unos pocos femtosegundos y cientos de femtosegundos.

Los científicos han estado intentando durante años hacer cristales en el vidrio con el fin de evitar que la luz se disperse cuando se transmiten las señales de luz, dice Jain. La tarea se complica por la naturaleza «mutuamente excluyente» de las propiedades de cristal y vidrio. El vidrio se convierte en cristal cuando se calienta, dice Jain, pero es fundamental controlar la transición.

«La pregunta es, ¿cuánto tiempo requiere este proceso y obtendremos un cristal o muchos? Queremos un único cristal;. La luz no puede viajar a través de múltiples cristales. Y necesitamos que el cristal tenga la forma y consistencia correcta.».

Después de la realización de experimentos en Lehigh y en la Universidad de Kyoto y Polytechnique de Montreal, el grupo construyó un solo cristal en vidrio, demostró sus capacidades de guía de ondas y se cuantificó la eficiencia de la transmisión.

«Logramos la calidad», dice Dierolf, «guiando la luz de un extremo del cristal al otro con muy poca pérdida de luz.”

«Hemos creado el equivalente a un alambre para guiar la luz. Con nuestro cristal, es posible hacer esto en 3D de modo que el alambre – la luz – pueda curvarse y doblarse mientras es transmitida.  Esto nos da el potencial de depositar diferentes componentes en diferentes capas de vidrio».

La importancia de materiales ferroeléctricos

El hecho de que la demostración se lograra utilizando materiales ferroeléctricos es otra ventaja, dice Dierolf. «Los cristales ferroeléctricos han demostrado un efecto óptico-eléctrico que puede ser explotado para la conmutación y para dirigir la luz de un lugar a otro como hace un escáner de supermercado. Los cristales ferroeléctricos también pueden transformar la luz de una frecuencia a otra. Esto hace que sea posible enviar la luz a través de diferentes canales».

«Otros grupos han hecho cristal en vidrio, pero no fueron capaces de demostrar calidad», dice Jain. «Con la calidad de nuestro cristal, hemos cruzado el umbral para que sea utilizable. Ello nos permite estar ahora desarrollando nuevos dispositivos para la comunicación óptica en colaboración con una importante empresa.»

El láser de femtosegundo ofrece varias ventajas importantes, dicen Dierolf y Jain. La alta intensidad del pulso láser permite la absorción óptica no lineal. El enfoque preciso permite a los investigadores controlar donde se enfoca el láser y donde se absorbe la luz.