Solitones ultrarrápidos en guías de onda de grafeno/silicio

Dibujo20151118 Schematic of ultra-fast pulse propagation along the hybrid graphene silicon ridge waveguide

Las guías de onda de silicio propagan solitones cuando se aplican pulsos de gran intensidad, lo que requiere usar luz lenta. Al cubrirlas con grafeno se elimina esta restricción. Una guía de ondas de silicio/grafeno muestra un efecto Kerr cinco veces mayor y propaga pulsos láser de femtosegundos en distancias de hasta 20 mm. Sin el grafeno la guía de silicio propaga solitones lentos. Con el grafeno la guía de silicio/grafeno propaga solitones ultrarrápidos (así los han bautizado los autores del nuevo trabajo).

El artículo es Ken Liu et al., “Ultra-fast pulse propagation in nonlinear graphene/silicon ridge waveguide,” Scientific Reports 5: 16734 (18 Nov 2015), doi: 10.1038/srep16734.

Dibujo20151118 ultra-fast pulse propagation in nonlinear graphene silicon ridge waveguie

Los solitones en fibra óptica son ondas no lineales que se propagan de forma robusta gracias al efecto Kerr (una birrefringencia no lineal en la que el índice de refracción adquiere un término adicional no lineal proporcional a la intensidad, i.e., n(I) = n0 + n2 I). En fibras ópticas convencionales, de sílice, este efecto es muy pequeño (n2 ~ 10−20 m²/W). Sin embargo, este efecto es unas cien veces mayor en guías de onda integradas en chip fabricadas con silicio (n2 ~ 4,0 × 10−18 m²/W). Aún así, sigue siendo muy pequeño (salvo que se use luz de gran intensidad). En teoría se puede incrementar el efecto recubriendo la guía de onda con un metal. El mejor metal posible (en rigor, un semimetal) es el grafeno (una hoja de solo un átomo de grosor de carbono en una estructura hexagonal tipo panal de abeja).

Dibujo20151118 average output power hybrid graphene silicon ridge waveguide srep16734-f4

El grafeno tiene un coeficiente de Kerr efectivo enorme (n2 ~ 10−12 m²/W para luz infrarroja de 1,56 μm y n2 ~ 10−13 m²/W para 1,00 μm), unos seis órdenes de magnitud mayor que el silicio. Sin embargo, no propaga solitones (pulsos ópticos no lineales) porque tiene un coeficiente de absorción enorme (para una longitud de onda de 1,56 μm el grafeno tiene un coeficiente de refracción complejo de 3,0 + 2,8 i; recuerda que la parte imaginaria corresponde a la absorción y que para el silicio es unos diez órdenes de magnitud más pequeño). Al recubrir con una hoja de grafeno la guía de onda de silicio se obtiene un pequeño incremento en el efecto de Kerr, se obtiene n2 ~ 1,3 × 10−17 m²/W para modos ópticos TE y n2 ~ 1,4 × 10−17 m²/W para modos ópticos TM (un valor cinco veces mayor que en la guía de silicio).

Dibujo20151118 silicon ridge waveguide with a width of 1.5 μm and an etching thickness of 0.4 μm. (b) A monolayer graphene is layered on the silicon ridge waveguide

La nueva guía de ondas híbrida grafeno/silicio está formada por una guía de ondas de silicio (color azul en la figura), recubierta por una hoja de grafeno, cuyo grosor es menor de 1 nm (color rojo), una capa de dióxido de silicio (SiO2) de 40 nm de grosor (color verde claro) y una capa de nitruro de silicio (Si3N4) de 200 nm de grosor (color verde oscuro). En los experimentos se han propagado pulsos de 300 fs (femtosegundos) con una potencia de 0,30 mW (~5,0 pJ), 0,38 mW (~6,3 pJ), 0,44 mW (~7,3 pJ) y 0,50 mW (~8,3 pJ); el coeficiente de Kerr medido en dichos experimentos es de n2 ~ 2,2 × 10−17 m²/W (aproximadamente constante).

En resumen, el nuevo estudio confirma que el coeficiente de Kerr del grafeno es enorme y que la incorporación de grafeno en guías de onda de silicio (compatibles con la tecnología CMOS) promete el futuro desarrollo de computadores completamente ópticos basados en solitones.



2 Comentarios

  1. Hola Francis,

    Un detallito: escribes “una estructura hexagonal tipo panel de abeja”. Creo que debería decirse “panel de nido de abeja”, o lo más común “panal de abeja”.

    Saludos

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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 18 noviembre, 2015
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Nanotecnología • Óptica • Physics • Science
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