Un equipo de investigación ha logrado superar una limitación fundamental en la fotónica integrada mediante el desarrollo de una técnica basada en campos de medida artificiales que permite controlar el acoplamiento entre guías de onda de manera independiente de la longitud de onda, según un artículo científico publicado en Opto-Electronic Advances.

El acoplamiento evanescente, fenómeno mediante el cual la luz se transfiere entre guías de onda cercanas, es esencial para funciones como la división de potencia, el enrutamiento y la formación de haces en circuitos fotónicos integrados. Sin embargo, este mismo fenómeno ha limitado históricamente la densidad de integración fotónica debido a la diafonía, interferencia no deseada entre canales adyacentes, y a su fuerte dependencia de la longitud de onda, según explica el estudio.

La nueva estrategia combina la modulación de la trayectoria de las guías de onda con desajustes en las constantes de propagación introducidos mediante variaciones controladas en el ancho de las guías. Esta ingeniería conjunta permite crear campos de medida artificiales que suprimen el acoplamiento no deseado mientras mantienen un control preciso sobre la división de potencia, según los investigadores.

Los científicos implementaron la técnica en una plataforma de silicio sobre aislante, logrando una matriz densa de guías de onda con una separación centro a centro de 750 nanómetros, equivalente a media longitud de onda. Esta distancia está muy por debajo de las separaciones convencionales limitadas por el acoplamiento, según el artículo.

La matriz resultante exhibe una supresión de diafonía por debajo de –20 decibelios en un rango de longitudes de onda de 100 nanómetros, específicamente entre 1500 y 1600 nanómetros, con pérdidas excesivas insignificantes, según los datos experimentales presentados. Esta supresión de banda ancha representa un avance significativo respecto a las técnicas convencionales, que típicamente muestran un rendimiento altamente dependiente de la longitud de onda.

Paralelamente, los investigadores demostraron acopladores direccionales habilitados por campos de medida artificiales con relaciones de división programables e independientes de la longitud de onda. Estos dispositivos logran una división de potencia independiente de la longitud de onda en el mismo ancho de banda de 100 nanómetros, según el estudio.

La característica de división de potencia sin dispersión cromática, denominada "colorless" en terminología técnica, significa que la relación de división permanece constante independientemente de la longitud de onda de la luz incidente. Esta propiedad es particularmente valiosa para aplicaciones que requieren operación simultánea en múltiples longitudes de onda, como los sistemas de multiplexación por división de espacio de alta capacidad.

Aprovechando estos acopladores casi sin dispersión, los investigadores construyeron una matriz de guías de onda con ponderación gaussiana de banda ancha y realizaron experimentalmente una matriz de fase óptica bidimensional. El dispositivo demostró un campo de visión de 120 grados por 14,5 grados con niveles de lóbulos secundarios por debajo de –17 decibelios, según los resultados experimentales.

Las matrices de fase óptica son dispositivos que permiten dirigir haces de luz sin partes móviles mediante el control de la fase relativa de múltiples emisores. El amplio campo de visión y los bajos niveles de lóbulos secundarios demostrados indican un control preciso del haz, características esenciales para aplicaciones como el lidar de estado sólido, las comunicaciones ópticas en espacio libre y la proyección holográfica.

La técnica de campos de medida artificiales se basa en conceptos originalmente desarrollados en física cuántica y de materia condensada. En el contexto fotónico, estos campos artificiales se crean mediante la modulación periódica de parámetros del sistema, como la posición o el índice de refracción de las guías de onda, lo que permite emular efectos análogos a los campos electromagnéticos reales sobre partículas cargadas.

La implementación en silicio sobre aislante es particularmente relevante porque esta plataforma es compatible con los procesos de fabricación de semiconductores estándar de la industria microelectrónica. Esta compatibilidad facilita la producción en masa y la integración con circuitos electrónicos, factores críticos para la comercialización de tecnologías fotónicas.

La reducción de la separación entre guías de onda a 750 nanómetros representa aproximadamente la mitad de la distancia típicamente requerida en diseños convencionales para evitar diafonía significativa. Esta reducción permite duplicar la densidad de integración en una dimensión, lo que se traduce en un aumento potencial de cuatro veces en la densidad de integración bidimensional para circuitos fotónicos complejos.

Los investigadores señalan que su trabajo establece un marco escalable para el control de acoplamiento de banda ancha en circuitos fotónicos ultradensos. Las aplicaciones potenciales incluyen matrices de fase óptica compactas, líneas de retardo fotónicas y sistemas de multiplexación por división de espacio de alta capacidad, según el artículo.

Las líneas de retardo fotónicas, que permiten almacenar temporalmente señales ópticas mediante su propagación a través de trayectorias largas en espacios compactos, se beneficiarían directamente de la capacidad de empaquetar guías de onda más densamente sin diafonía. Estas líneas de retardo son componentes clave en sistemas de procesamiento de señales ópticas, radares de apertura sintética y buffers ópticos para redes de comunicaciones.

Los sistemas de multiplexación por división de espacio, que utilizan múltiples canales espaciales paralelos para aumentar la capacidad de transmisión de datos, requieren matrices densas de guías de onda con mínima diafonía. La tecnología presentada podría permitir sistemas con mayor número de canales en el mismo espacio físico, aumentando la capacidad total del sistema.

El rango de longitudes de onda de 100 nanómetros demostrado cubre la banda C completa de las telecomunicaciones ópticas, que se extiende aproximadamente de 1530 a 1565 nanómetros, así como parte de la banda L adyacente. Esta cobertura es suficiente para la mayoría de las aplicaciones de comunicaciones ópticas y sensores actuales.

La supresión de diafonía de –20 decibelios significa que la potencia acoplada no deseadamente a una guía de onda adyacente es 100 veces menor que la potencia en la guía de onda principal. Este nivel de aislamiento es generalmente suficiente para la mayoría de las aplicaciones prácticas, aunque aplicaciones más exigentes podrían requerir niveles de supresión aún mayores.

Los niveles de lóbulos secundarios de –17 decibelios en la matriz de fase óptica demostrada indican que la potencia en los lóbulos secundarios no deseados es aproximadamente 50 veces menor que la potencia en el lóbulo principal. Niveles más bajos de lóbulos secundarios son deseables para reducir la interferencia y mejorar la relación señal-ruido en aplicaciones de detección y comunicaciones.

La característica de división de potencia programable permite ajustar dinámicamente la relación de división sin cambiar la estructura física del dispositivo, una capacidad valiosa para sistemas adaptativos y reconfigurables. El mecanismo específico de programación no se detalla en el resumen del artículo, pero típicamente involucra efectos termo-ópticos o electro-ópticos que modifican el índice de refracción localmente.

El concepto de campos de medida artificiales en fotónica ha ganado atención en años recientes como una herramienta poderosa para controlar el flujo de luz en estructuras periódicas. Aplicaciones previas han incluido la demostración de aisladores ópticos sin reciprocidad, estados topológicos protegidos y transporte de luz robusto contra desorden.

La extensión de estos conceptos al control de acoplamiento en guías de onda densas representa una aplicación práctica con implicaciones directas para la industria fotónica. La capacidad de suprimir el acoplamiento de manera independiente de la longitud de onda resuelve un problema que ha limitado el diseño de circuitos fotónicos durante décadas.

La plataforma de silicio sobre aislante utilizada en este trabajo es la tecnología dominante para la fotónica integrada debido a su alto contraste de índice de refracción, que permite componentes compactos, y su compatibilidad con la infraestructura de fabricación de semiconductores existente. El alto contraste de índice también contribuye al fuerte acoplamiento entre guías de onda cercanas, haciendo que el control de este acoplamiento sea particularmente desafiante y valioso en esta plataforma.

Los investigadores no especifican en el resumen las dimensiones exactas de los dispositivos fabricados ni los detalles de los parámetros de modulación utilizados para crear los campos de medida artificiales. Estos detalles técnicos serían críticos para la reproducción y optimización adicional de la tecnología.

Tampoco se menciona explícitamente el consumo de energía, la velocidad de reconfiguración o la tolerancia a variaciones de fabricación de los dispositivos demostrados, parámetros importantes para evaluar la viabilidad práctica de la tecnología en aplicaciones comerciales.

El trabajo representa un avance en la dirección de circuitos fotónicos más densos y funcionales, una tendencia análoga a la ley de Moore en microelectrónica, donde el aumento continuo de la densidad de integración ha impulsado mejoras exponenciales en rendimiento y reducción de costos durante décadas. La fotónica integrada busca seguir una trayectoria similar, aunque enfrenta desafíos distintos relacionados con la naturaleza ondulatoria de la luz y las longitudes de onda relativamente grandes comparadas con las dimensiones de los transistores electrónicos.

La demostración experimental de la matriz de fase óptica bidimensional con amplio campo de visión sugiere aplicaciones inmediatas en sistemas lidar para vehículos autónomos, donde la capacidad de escanear rápidamente un amplio campo de visión sin partes móviles es altamente deseable. El formato compacto y potencialmente de bajo costo de los dispositivos fotónicos integrados en silicio podría hacer viable la producción en masa de sensores lidar avanzados.

Otras aplicaciones potenciales incluyen comunicaciones ópticas en espacio libre para enlaces de datos de alta velocidad entre satélites, estaciones terrestres y dispositivos móviles, donde la capacidad de dirigir haces con precisión es esencial. La independencia de la longitud de onda también permitiría el uso de múltiples canales de longitud de onda simultáneamente, aumentando la capacidad de datos.

En el contexto de las redes de comunicaciones ópticas terrestres, la tecnología podría permitir conmutadores ópticos más compactos y de mayor capacidad, reduciendo el consumo de energía y el espacio requerido en centros de datos y nodos de red. La capacidad de empaquetar más funcionalidad en chips más pequeños también reduce los costos de fabricación y mejora la confiabilidad al reducir el número de conexiones entre chips.

La investigación se suma a un cuerpo creciente de trabajo que aplica conceptos de física topológica y cuántica a sistemas fotónicos clásicos para lograr funcionalidades novedosas. Estos enfoques interdisciplinarios están expandiendo las capacidades de la fotónica integrada más allá de lo que es posible con técnicas de diseño convencionales.

El artículo fue publicado en Opto-Electronic Advances, una revista científica revisada por pares que cubre avances en optoelectrónica y fotónica. La publicación en una revista especializada indica que el trabajo ha sido evaluado por expertos en el campo y cumple con estándares de rigor científico.

La fecha de publicación no se especifica en la información proporcionada, pero el contenido representa investigación de vanguardia en fotónica integrada. El desarrollo de esta tecnología desde la demostración de laboratorio hasta productos comerciales típicamente requiere varios años de ingeniería adicional, optimización de fabricación y validación en aplicaciones reales.

Los próximos pasos lógicos en esta línea de investigación incluirían la demostración de dispositivos más complejos que integren múltiples funciones, la caracterización detallada del rendimiento bajo diversas condiciones operativas, y la evaluación de la escalabilidad de la fabricación. También sería valioso explorar la aplicación de los mismos principios a otras plataformas fotónicas más allá del silicio sobre aislante, como nitruro de silicio, fosfuro de indio o materiales fotónicos emergentes.

La capacidad demostrada de control de acoplamiento independiente de la longitud de onda también podría tener implicaciones para el diseño de filtros ópticos, multiplexores y demultiplexores de longitud de onda, componentes esenciales en sistemas de multiplexación por división de longitud de onda que forman la columna vertebral de las redes de comunicaciones ópticas globales.

En resumen, el trabajo presenta una solución técnica a un problema fundamental en fotónica integrada, demostrando tanto la supresión de acoplamiento no deseado como el control preciso de división de potencia en un rango amplio de longitudes de onda. Las aplicaciones demostradas en matrices de fase óptica ilustran el potencial práctico de la tecnología, mientras que las implicaciones más amplias para la densidad de integración fotónica podrían influir en el diseño de circuitos fotónicos durante años.