Supersimetría óptica en láseres semiconductores

La supersimetría permite estabilizar un sistema cuántico. Al tratar de usar múltiples láseres semiconductores en paralelo aparecen inestabilidades asociadas a su interferencia mutua que degradan el rendimiento. Se publica en Science una técnica para evitarlas inspirada en la supersimetría. La SUSY permite suprimir los supermodos asociados a los efectos ópticos no lineales y los efectos térmicos. Aunque hay otras técnicas para focalizar la energía en el modo fundamental, me resulta muy sugerente esta aplicación de la SUSY al desarrollo de láseres.

El artículo es Mohammad P. Hokmabadi, Nicholas S. Nye, …, Mercedeh Khajavikhan, “Supersymmetric laser arrays,” Science 363: 623-626 (08 Feb 2019), doi: 10.1126/science.aav5103; la idea fue propuesta a nivel teórico en R. El-Ganainy, Li Ge, …, D. N. Christodoulides, “Supersymmetric laser arrays,” Phys. Rev. A 92: 033818 (11 Sep 2015), doi: 10.1103/PhysRevA.92.033818. Más información divulgativa en Tsampikos Kottos, “Single-mode lasing by selective mode pairing,” Science 363: 586-587 (08 Feb 2019), doi: 10.1126/science.aaw1203.

Los láseres semiconductores integrados en chip están formados por múltiples guías ópticas. Aumentar su número permite incrementar la potencia de salida, pero existe un límite debido a que aparecen interferencias entre los modos en dichas guías (llamados «supermodos», nombre que no está relacionado con la supersimetría). Una manera de resolver este problema es mediante la amplificación selectiva del modo fundamental (una técnica que se usa desde 1984). Otra es usar usar la SUSY, dividiendo las guías en dos grupos, con el segundo grupo propagando señales de fase complementaria a los modos altos, lo que los suprime de forma efectiva. La idea es similar a la que usa en el diseño de capas de invisibilidad y/o camuflaje óptico.

Las cinco guías del grupo principal (main array) son de InP sobre un sustrato de InGaAsP; cada guía tiene una anchura de 1000 nm, una altura de 500 nm y una separación de 400 nm. Las cuatro guías del grupo complementario (superpartner) tienen anchuras de 950 nm (las dos centrales) y 902 nm (las de los dos extremos), una altura de 500 nm y una separación de 500 nm. Ambos grupos de guías están separados por 400 nm. El diseño de las guías complementarias garantiza su índice de refracción efectivo tiene forma de potencial parabólico, propagando modos antisimétricos |Ψi> complementarios a los modos simétricos |Ψ+i> que se propagan en las guías principales. La suma de ambos tipos de modos |Ψi> + |Ψ+i> tiene un alto coeficiente de atenuación (componente imaginaria del índice de refracción efectivo, que es complejo). Así el acoplamiento mutuo minimiza su efecto y evita que degraden potencia del modo fundamental |Ψ0>, que es simétrico.

La llamada óptica supersimétrica, el uso de diseños inspirados por la SUSY en óptica, tiene un futuro muy prometedor. Y no solo en óptica y fotónica, también en acústica y en electrónica. La diferencia entre bosones (partículas de espín entero) y fermiones (partículas de espín semientero), que relaciona la supersimetría, tiene su origen en la simetría (teorema CPT); es decir, en la simetría/antisimetría de los commutadores de las funciones de onda, un fenómeno análogo a lo que ocurre en los modos propagantes en guías. Por ello estos avances dará lugar a nuevos análogos físicos a las teorías supersimétricas de campos cuánticos, lo que también tendrá consecuencias en física fundamental.



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Por Francisco R. Villatoro
Publicado el ⌚ 12 febrero, 2019
Categoría(s): ✓ Ciencia • Física • Noticias • Óptica • Physics • Science
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