Operaciones matemáticas sobre pulsos ópticos usando metamateriales

Dibujo20131109 Wave-based metamaterial computing

Los metamateriales ópticos permiten diseñar medios ópticos con un índice de refracción efectivo a medida. Gracias a ello se pueden diseñar sistemas de procesamiento completamente ópticos que ejecuten funciones matemáticas sobre los pulsos ópticos incidentes. Alexandre Silva (Univ. de Pennsylvania, Filadelfia, EEUU) y varios colegas publican en Science simulaciones numéricas de varios diseños que implementan derivadas parciales (de primer y de segundo orden), integrales y convoluciones de la curva envolvente de pulsos ópticos.

En principio, nada impide que los nuevos diseños puedan ser realizados en laboratorio, e incluso implementados en microchips ópticos, lo que permitirá muchas aplicaciones prácticas, como el desarrollo de ordenadores analógicos completamente ópticos o nuevos sistemas de procesamiento óptico de imágenes. El artículo técnico es Alexandre Silva et al., “Performing Mathematical Operations with Metamaterials,” Science 343: 160-163, 10 Jan 2014. Más información con énfasis en el procesamiento de imágenes en Ari Sihvola, “Enabling Optical Analog Computing with Metamaterials,” Science 343: 144-145, 10 Jan 2014.

Dibujo20131109 Snapshots z-component electric field distribution for different mathematical operator metastructure screens

En sistemas ópticos se pueden implementar operaciones matemáticas utilizando lentes en una configuracón apropiada. Para su diseño se usan las técnicas de óptica de Fourier, que permiten implementar cualquier función. El problema es que integrar en microchips ópticos estos dispositivos es difícil, pues su tamaño es grande comparado con la longitud de onda de la luz.

El nuevo artículo resuelve estos problemas con dos propuestas alternativas, por un lado, usar metamateriales con una microestructura en una escala inferior a la longitud de onda de la luz incidente y, por otro lado, el uso de capas alternas diseñadas para implementar determinadas funciones de Green espaciales. Ambas opciones ofrecen gran flexibilidad y son prometedoras, tanto en el espectro óptico (infrarrojo, visible o ultravioleta), como en el régimen de microondas (donde los metamateriales son más fáciles de fabricar).

Por ahora, los nuevos diseños se han validado utilizando simulaciones numéricas por ordenador (usando un software comercial de electromagnetismo computacional). Estos simuladores están muy trabajados y se sabe que sus predicciones son muy fiables, por lo que se espera que las técnicas propuestas permitan el desarrollo de circuitos ópticos miniaturizados que se pueden integrar en chips ópticos. Habrá que estar al tanto.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 10 enero, 2014
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