Los investigadores de CU Boulder han desarrollado microresonadores ópticos altamente eficientes que podrían respaldar una nueva generación de tecnología de sensores robusta.
Un microresonador es una estructura microscópica diseñada para confinar la luz a un área pequeña. A medida que la luz circula por el interior, su intensidad aumenta. Cuando esa intensidad alcanza un nivel suficiente, los científicos pueden ejecutar procesos ópticos especiales que permiten la detección y otras funciones avanzadas.
“Nuestro trabajo consiste en utilizar baja potencia óptica con estos resonadores para uso futuro”, dijo Bright Lu, estudiante de doctorado de cuarto año en ingeniería eléctrica e informática y autor principal del estudio. “Algún día estos microresonadores podrían adaptarse a una amplia gama de sensores, desde la navegación hasta la detección química”.
El estudio fue publicado Artículos de física aplicada.
El diseño del resonador de pista minimiza la pérdida de luz
Para lograr un rendimiento sólido, el equipo se centró en resonadores de “pista de carreras”, llamados así por su forma de bucle alargado que se asemeja a una pista de atletismo.
Incluían “curvas de Euler”, un tipo de curva suave que se encuentra en el diseño de carreteras y ferrocarriles. Así como los vehículos no pueden navegar en giros repentinos en ángulo recto a gran velocidad, la luz no viaja de manera eficiente en giros cerrados.
“Estas curvas de pista minimizan la pérdida por flexión”, afirmó Wan Park, profesor Shepard de ingeniería eléctrica y coasesor del proyecto. “Nuestra elección de diseño fue una innovación clave en este proyecto”.
Al dirigir la luz a través de curvas lentas y cuidadosamente diseñadas, los investigadores limitaron significativamente la cantidad de luz que escapaba. Esto permite que los fotones circulen más tiempo en el resonador e interactúen más intensamente.
Lu explicó que la pérdida excesiva de luz impide que el dispositivo alcance la alta intensidad necesaria para un funcionamiento óptimo.
Nanofabricación de precisión en COSINC
Los microresonadores se fabricaron en la sala limpia de Colorado Shared Instrumentation in Nanofabrication and Characterization (COSINC) utilizando un nuevo sistema de litografía por haz de electrones.
Estas instalaciones mantienen condiciones estrictamente controladas que son esenciales para fabricar dispositivos fiables a escalas extremadamente pequeñas. Muchos componentes ópticos y fotónicos son más pequeños que el ancho de una hoja de papel, por lo que incluso pequeñas partículas de polvo o pequeñas imperfecciones de la superficie pueden interferir con la forma en que la luz viaja a través de ellos.
“La litografía tradicional utiliza fotones y está fundamentalmente limitada por la longitud de onda de la luz”, dijo Lu. “Sin embargo, la litografía por haz de electrones no tiene tales limitaciones. Con los electrones podemos realizar nuestra estructura con una resolución subnanométrica, lo cual es importante para nuestro microresonador”.
Lu describe el proceso de fabricación como una de las partes más gratificantes del proyecto.
“Las salas limpias son simplemente geniales. Se trabaja con estas máquinas enormes y precisas, y luego se pueden ver imágenes de estructuras que tienen sólo micras de ancho. Es realmente satisfactorio convertir una fina película de vidrio en un circuito óptico funcional”.
El vidrio calcogenuro permite un rendimiento con pérdidas ultrabajas
La fabricación exitosa de dispositivos utilizando calcogenuros, una familia de vidrios semiconductores especiales, es un hito importante para el equipo.
“Estos calcogenuros son materiales excelentes para la fotónica debido a su alta transparencia y no linealidad”, afirmó Park. “Nuestro trabajo representa uno de los dispositivos de mejor rendimiento que utilizan calcogenuros, si no el mejor”.
Los calcogenuros permiten el paso de luz intensa con una pérdida mínima, lo cual es esencial para los microresonadores de alto rendimiento. Al mismo tiempo, son materiales difíciles de procesar y requieren un cuidadoso equilibrio durante la fabricación.
“Los calcogenuros son materiales difíciles, pero gratificantes, con los que trabajar en dispositivos fotónicos no lineales”, afirmó la profesora Juliette Gopinath, que ha colaborado con Park en el proyecto durante más de 10 años. “Nuestros resultados demostraron que la reducción de la pérdida por flexión permite dispositivos de pérdida ultrabaja comparables a las plataformas de última generación de otros materiales”.
Pruebas láser y mediciones de resonancia.
Después de la fabricación, los dispositivos fueron evaluados bajo la dirección de James Erickson, un estudiante de doctorado en física especializado en mediciones basadas en láser. Alineó con precisión láseres con guías de ondas microscópicas para enviar luz mientras observaba el comportamiento dentro y fuera de los resonadores.
El equipo buscó “caídas” en la señal de luz transmitida que indican resonancia, que ocurre cuando los fotones quedan atrapados y conducidos dentro de la estructura. Al estudiar la forma de estas inmersiones, pudieron determinar propiedades como la absorción y los efectos térmicos.
“El indicador más obvio de la calidad del dispositivo es la forma de las resonancias, y queremos que sean profundas y estrechas, como una aguja que atraviesa el fondo de la señal”, dice Erickson. “Hemos estado buscando este tipo de resonador durante mucho tiempo, y cuando vimos la fuerte resonancia en este nuevo dispositivo supimos que finalmente habíamos descifrado el código”.
Erickson señaló que comprender cuánta luz se absorbe versus cuánta luz se transmite es fundamental para el rendimiento del dispositivo. El aumento de la potencia del láser puede generar calentamiento, lo que a su vez puede cambiar las propiedades del material o incluso dañar el dispositivo.
“La forma en que la mayoría de los materiales interactúan con la luz varía según la temperatura del material”, dice Erickson. “Entonces, a medida que un dispositivo se calienta, sus propiedades pueden cambiar y funcionar de manera diferente”.
Hacia los microláseres y la fotónica cuántica
De cara al futuro, estos microresonadores se pueden utilizar para construir microláseres compactos, sensores químicos y biológicos altamente sensibles y herramientas para metrología cuántica y redes.
“Muchos componentes fotónicos se están desarrollando a partir de láseres, moduladores y detectores, y los microresonadores como el nuestro ayudarán a unir todas esas piezas”, dijo Lu. “En última instancia, el objetivo es hacer algo que puedas entregar a un fabricante y fabricar cientos de miles de ellos”.
