Un láser de silicio de tipo Brillouin para la optoelectrónica integrada en chip

Dibujo20180609 Schematic Brillouin laser sciencemag 360 6393 1113

Los láseres de silicio son el santo grial de la optoelectrónica integrada en chip. Se conocen varios diseños, como el láser de tipo Raman o el de tipo Kerr, pero sus propiedades depende mucho de las del material usado y son difíciles de ajustar para una aplicación concreta. Se publica en Science un láser de silicio de tipo Brillouin cuyas propiedades dependen de la geometría de la guía óptica por lo que son mucho más fáciles de ajustar. Se usa una guía de onda en forma de estadio de 4.6 cm de longitud, suspendida en la parte recta y apoyada por la parte curva sobre un sustrato de sílice (dióxido de silicio), que estimula un efecto no lineal llamado dispersión estimulada de Brillouin, muy intenso en el silicio. El nuevo diseño promete superar a diseños alternativos en ciertas aplicaciones, luego parece tener un buen futuro en el campo de la optoelectrónica integrada en chip.

La dispersión estimulada de Brillouin en silicio tiene una ventaja sobre la dispersión estimulada de Raman, el umbral de potencia que separa la dispersión espontánea de la estimulada es mucho menor. En comunicaciones ópticas mediante fibra se trata de evitar el efecto de la dispersión estimulada de Brillouin porque produce una señal retrodispersada, que se propaga en la dirección opuesta a la señal útil y que le roba potencia óptica; en un láser de fibra óptica (que usa una guía de ondas en forma de curva cerrada) este efecto pernicioso se transforma en beneficioso, usándose la señal retrodispersada para generar la señal del láser.

El láser de silicio de tipo Raman no ha acabado de despegar en las aplicaciones tecnológicas; quizás el de tipo Brillouin lo logre, solo el tiempo lo dirá. El artículo es Nils T. Otterstrom, Ryan O. Behunin, …, Peter T. Rakich, “A silicon Brillouin laser,” Science 360: 1113-1116 (08 Jun 2018), doi: 10.1126/science.aar6113, arXiv:1705.05813 [physics.optics]. Las guías de silicio suspendidas están siendo consideradas para muchos dispositivos, por ejemplo, Ki Youl Yang, Dong Yoon Oh, …, Kerry Vahala, “Bridging ultrahigh-Q devices and photonic circuits,” Nature Photonics 12: 297–302 (19 Mar 2018), doi: 10.1038/s41566-018-0132-5. Los interesados en el láser de silicio de tipo Raman disfrutarán con Yasushi Takahashi, Yoshitaka Inui, …, Susumu Noda, “A micrometre-scale Raman silicon laser with a microwatt threshold,” Nature 498: 470–474 (27 Jun 2013), doi: 10.1038/nature12237.

Dibujo20180609 stimulated brillouin scattering Pablo Vallejo de la Cueva PFC Univ Cantabria

Dibujo20180609 lasing effect brillouin dispersion sciencemag 360 6393 1113

Léon Brillouin predijo en 1922 la dispersión de la luz por ondas acústicas excitadas térmicamente. En la dispersión Brillouin un fotón de cierta energía interacciona con un átomo del medio dando lugar a un fotón de menor energía y un fonón acústico; la vibración acústica cambia el índice de refracción del medio, luego esta dispersión es sensible a cambios en densidad, temperatura y curvatura de la guía de onda. El proceso espontáneo es poco eficiente, pero al superar cierto umbral de potencia aparece el proceso estimulado (SBS), un fenómeno no lineal que se parece a una resonancia lineal. Gracias a ello en un guía de onda cerrada se puede fabricar un láser que use este fenómeno óptico.

Dibujo20180609 pump sbs laser aom sciencemag 360 6393 1113

En la dispersión estimulada de Brillouin en una guía óptica se inyecta una señal de bombeo (pump, ωp) que genera dos señales ópticas retrodispersadas, una de frecuencia más baja, la onda de Stokes (ωs), y otra de frecuencia más alta, la onda anti-Stokes; en el láser de Brillouin se usa la primera. La onda de Stokes se llama retrodispersada porque se propaga en la dirección opuesta a la onda de bombeo que la genera. En la dispersión estimulada se produce un efecto de amplificación de tipo láser ya que la onda de Stokes se lleva gran parte de la potencia óptica de la onda de bombeo.

Dibujo20180609 suspended silicon waveguide for Brillouin laser sciencemag 360 6393 1113

Dibujo20180609 output stokes power vers input pump power sciencemag 360 6393 1113

El nuevo láser de silicio de tipo Brillouin integrado en chip logra alcanzar potencias del orden de 20 mW (para un umbral de potencia de bombeo de 10.6 mW). Lo más interesante de su diseño es que la geometría de la guía óptica (que actúa como cavidad láser) permite cambiar las propiedades de la no linealidad de Brillouin, como la frecuencia de resonancia, la tasa de disipación acústica y la ganancia de Brillouin. Gracias a ello se logran nuevos grados de libertad en el diseño de los láseres de tipo Brillouin que serán explotados en los próximos años.

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Miguel Angel Miguel Angel

Hola Francis, ¿que opinas de la publicación por parte de un equipo que incluye a John B. Goodenough sobre los primeros resultados de unas baterías revolucionarias de estado sólido, capaces de recuperar vida útil con el paso de los ciclos?

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