Los diamantes son reconocidos por su exquisita belleza y durabilidad inigualable, pero también son muy apreciados por científicos e ingenieros por sus excepcionales propiedades ópticas y físicas.
En una primera demostración de las prometedoras aplicaciones tecnológicas del diamante, un equipo de ingenieros de la Universidad de Harvard ha desarrollado una nueva clase de láser Raman lo suficientemente pequeño como para operar en un chip fotónico. Este componente óptico utiliza una pista de carreras a nanoescala-resonador de diamante en forma para convertir una frecuencia de luz láser en un rango completamente diferente de longitudes de onda, abriendo nuevas posibilidades para las comunicaciones de datos de banda ancha y una gran cantidad de otras aplicaciones.
Los nuevos resultados de la prueba de concepto se publican hoy en la revista de alto impacto de The Optical Society óptica .
"Presentamos la primera observación de Raman láser en un dispositivo basado en diamante integrado en un chip de silicio", dijo Vivek Venkataraman, Laboratorio Lončar, Universidad de Harvard y coautor del artículo. "Este es, con mucho, el funcionamiento más bajohasta la fecha, el láser Raman de diamante de potencia y la longitud de onda más larga producida en cualquier tipo de láser Raman en chip ".
Según el equipo de investigación, esta demostración marca al diamante como el segundo material además del silicio para mostrar a Raman en un chip fotónico completamente integrado, que abre nuevas áreas prometedoras de investigación para comunicaciones ópticas de corto y largo alcance.
Láser Raman: luz de un color diferente
Los láseres actuales en chip utilizados en telecomunicaciones operan en un rango estrecho de longitudes de onda alrededor de 1,55 micras. Aunque eficiente, esto limita la cantidad de datos que pueden transmitirse a través de fibras ópticas. La capacidad de transmitir y manipular la luz a través de un rango más amplio delas longitudes de onda ayudarían a aliviar algunos de los crecientes cuellos de botella en las telecomunicaciones.
Un medio eficiente para lograr este cambio de color o longitud de onda de un láser es a través de un fenómeno óptico conocido como dispersión Raman estimulada. Si se bombea suficiente energía óptica a un material, una pequeña fracción de la luz de entrada pierde energía a las vibraciones atómicas yse desplaza a una frecuencia inferior específica, lo que da como resultado la amplificación de la onda desplazada de menor frecuencia, que cuando se combina con un resonador óptico, un dispositivo que puede atrapar y contener luz durante un breve período de tiempo, puede producir un láser Raman.Dichos láseres Raman son bien conocidos en óptica y tienen aplicaciones en dispositivos médicos, sensores químicos y telecomunicaciones.
Aunque el láser Raman se ha logrado en silicio, este material no es transparente en una amplia gama de colores, lo que limita su uso a unas pocas aplicaciones específicas. Los diamantes, por otro lado, son transparentes en las partes ultravioleta, visible e infrarroja deEl espectro electromagnético. Diamond también puede utilizar la dispersión Raman para proporcionar cambios de color gigantes en todo el espectro. Sin embargo, los láseres Raman en diamante están hechos tradicionalmente de placas voluminosas en cavidades macroscópicas. También requieren una alineación cuidadosa de los componentes y una energía comparativamente alta para funcionar.Estos factores han limitado las formas en que pueden integrarse en tecnologías basadas en chips.
Los investigadores pudieron aprovechar las capacidades ópticas estelares del diamante y crear una nueva clase de láser Raman al diseñar un resonador de diamante circular a nanoescala en un chip fotónico.
El dispositivo funciona enviando una bomba de luz láser de una frecuencia por una guía de onda óptica que pasa dentro de cientos de nanómetros del resonador permitiendo que la luz, en esencia, salte las pistas y comience a correr alrededor del resonador circular.
A medida que una corriente constante de fotones de la bomba fluye hacia el resonador, cada fotón viaja cientos de veces alrededor de la pista hasta que la intensidad de la luz se acumula y la dispersión Raman produce fotones de menor energía conocidos como fotones de Stokes. Estos fotones de Stokes, que ahora están en uncolor diferente, también circula alrededor del resonador muchas veces y estimula la dispersión de más fotones de la bomba en los fotones de Stokes, produciendo finalmente la luz coherente de un láser. La nueva luz láser se acopla del resonador en el mismo proceso que antes solo en reversa, donde puede dirigirse a cualquier lugar y usarse para una variedad de aplicaciones.
Puente de diamante y silicio en la nanoescala
Para hacer los micro resonadores de diamante, los investigadores utilizaron técnicas estándar de nanofabricación. Primero, una película delgada de diamante se adhiere a la superficie de un chip de silicio. El patrón deseado se escribe a través de la litografía con haz de electrones y luego se graba en la superficie usando unplasma de oxígeno. El oxígeno reacciona con el carbono del diamante produciendo gas de dióxido de carbono, que simplemente se evapora, dejando el patrón de resonador circular en su lugar.
"El proceso de fabricación es bastante simple y nos permite producir resonadores de múltiples formas y tamaños que podrían integrarse fácilmente en las tecnologías optoelectrónicas existentes", dijo Pawel Latawiec, Lončar Laboratory, Harvard University y coautor del artículo.
El láser Raman reportado en el documento funciona a longitudes de onda cercanas a dos micras, que se ha identificado para las redes de telecomunicaciones ópticas de próxima generación.
Los investigadores también informan que, dado que los diamantes son transparentes en casi todo el espectro óptico, el principio operativo que demuestran puede traducirse fácilmente a otros rangos de longitud de onda simplemente usando diferentes láseres de bomba.
"La nuestra es una demostración de prueba de principio", señaló Venkataraman, "y muchos aspectos pueden optimizarse y mejorarse aún más para un producto comercial. Pero estas son todas mejoras de ingeniería y tecnológicas y la física en sí misma se entiende y demuestra bientrabajo."
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por La sociedad óptica . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :