Los investigadores han demostrado la primera cavidad láser que puede confinar y propagar la luz en cualquier forma imaginable, incluso en caminos con curvas y ángulos agudos. La nueva cavidad, llamada cavidad topológica, podría permitir que los componentes láser se empaquen más densamente en un chip,que conducen a tecnologías de comunicación óptica de mayor velocidad que pueden fabricarse de manera eficiente y escalable utilizando técnicas de integración fotónica.
Este artículo será publicado en línea por la revista ciencia el 12 de octubre de 2017.
"Nuestro objetivo es superar las limitaciones fundamentales de los dispositivos ópticos y descubrir nuevos principios físicos que pueden permitir lo que antes se creía imposible", dijo Boubacar Kanté, profesor de ingeniería eléctrica e informática en UC San Diego y autor principal del estudio.
En la mayoría de los láseres convencionales, la cavidad láser debe tener una forma curva regular, típicamente un anillo, para que las ondas de luz se propaguen y permanezcan en la cavidad. Si la cavidad tiene un giro brusco, parte de esa luz se dispersa y se pierde.Es por eso que, por ejemplo, las fibras ópticas no pueden tener torceduras ni curvas.
"Cuando cambia la forma de la cavidad, cambia la forma en que la luz está confinada en esa cavidad", dijo Babak Bahari, un estudiante de doctorado en ingeniería eléctrica en UC San Diego y el primer autor del artículo.
No poder cambiar la forma de la cavidad también limita la cantidad de componentes que se pueden integrar en un chip fotónico. "Si podemos deformar la forma de la cavidad, podemos ajustarla fácilmente en cualquier área del chip sin interrumpir o mover otroscomponentes. Esto nos daría más libertad para diseñar componentes de chips y hacer dispositivos más densos y potentes ", dijo Kanté.
Ahora, Kanté, Bahari y sus colegas han introducido una forma de hacer cavidades láser de formas arbitrarias sin cambiar sus propiedades.
Crearon una estructura que consta de dos cristales fotónicos, uno que rodea el perímetro del otro. El cristal en el interior crece de los mismos materiales que el cristal que lo rodea, pero son lo que se conoce como topológicamente diferentes: pueden serdescrito como que tiene diferentes números de agujeros, como un bagel un agujero versus un pretzel tres agujeros. Los cristales también exhiben una propiedad en la cual ambos pueden conducir la misma longitud de onda de luz en el exterior mientras actúan como aislantes en el interiorAl juntar estos cristales, los investigadores crearon una cavidad en la que las ondas de luz pueden propagarse en la interfaz entre los cristales.
Los investigadores llaman a esto una cavidad topológica. No es un espacio, sino el borde donde se encuentran dos materiales topológicamente diferentes, señaló Kanté. Esta cavidad puede tener cualquier forma: triángulo, cuadrado, un bucle con bordes dentados, yla luz puede circular dentro de esa forma sin dispersarse.
Para demostrar la capacidad láser de su dispositivo, los investigadores primero acoplaron una guía de ondas a la cavidad. Luego energizaron los cristales con luz de un láser de alta potencia y aplicaron un campo magnético. Utilizando una cámara infrarroja, observaron que su dispositivo emitía una luz más bajahaz láser de frecuencia a 1,55 micrómetros, una longitud de onda común para telecomunicaciones.
Otra característica notable es que este dispositivo tiene un modo de láser no recíproco, lo que significa que el rayo láser solo puede viajar en una dirección. Este no es el caso con la mayoría de los láseres existentes, que necesitan un dispositivo llamado aislador para colocarse al frentede la fuente y evitar que el rayo láser regrese y potencialmente destruya la cavidad. Los aisladores suelen ser dispositivos grandes y el nuevo trabajo puede eliminar la necesidad de ellos en el futuro, dijo Kanté.
"Esta nueva característica nos permite hacer un láser que está autoprotegido", dijo Bahari.
En el futuro, el equipo espera crear un dispositivo con alimentación eléctrica, lo que lo haría más práctico. Kanté también planea explorar más a fondo la física fundamental de las cavidades topológicas. Está particularmente interesado en investigar qué tan densamente se pueden empacar esas cavidadesun chip. Estos estudios podrían ser importantes para el procesamiento de información cuántica y podrían superar los límites fundamentales de eficiencia de los sistemas actuales, dijo.
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Materiales proporcionado por Universidad de California - San Diego . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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