Un conmutador completamente óptico ultrarrápido basado en grafeno

Por Francisco R. Villatoro, el 26 noviembre, 2019. Categoría(s): Ciencia • Física • Nanotecnología • Noticias • Physics • Science ✎ 1

Un conmutador óptico es un dispositivo en el que un pulso de control permite o impide que un pulso de señal pase a través de una guía óptica. Para la interacción entre ambos pulsos se suele aprovechar el efecto Kerr no lineal. Para guías muy cortas se requieren materiales con una no linealidad muy fuerte. Además, el dispositivo ideal debe ser completamente óptico, ultrarrápido y de muy bajo consumo energético. Se publica en Nature Photonics  un conmutador basado en guías de onda plasmónicas en grafeno, ultrarrápido (conmuta en 260 femtosegundos) y ultraeficiente (solo consume 35 femtojulios en cada conmutación). Su secreto es la fuerte no linealidad óptica en el grafeno gracias al extremo confinamiento de los plasmones por debajo de la longitud de onda de luz (se usa 1550 nm); la guía de onda tiene una sección de 30 × 20 nm² y una longitud de 4 μm. Su consumo energético es cuatro órdenes de magnitud menor que el mejor conmutador disponible para pulsos de picosegundos. Por ello promete gran número de aplicaciones en óptica integrada en chip.

Por supuesto, ya existen muchas otras propuestas de conmutadores ópticos ultraeficientes, pero para ello se suele sacrificar el tiempo de conmutación. Los mejores tienen un consumo energético entre 400 y 600 attojulios, pero conmutan entre 20 y 35 picosegudos; suelen estar basados en nanocavidades de cristales fotónicos con una fuerte dispersión óptica no lineal. El nuevo dispositivo basado en grafeno usa una nanoguía de onda con una fuerte absorción no lineal. Gracias a que el grafeno es un semimetal (no tiene salto de banda en los conos de Dirac) se logra que el tiempo de relajación de los portadores fotogenerados es muy corto (entre 10 femtosegundos y pocos picosegundos). Como el grafeno es muy delgado, comparado con la longitud de onda de la luz, se usa una guía de onda para plasmones en configuración metal-aislante-metal (MIM).

El secreto de la eficiencia energética del grafeno es que para la conmutación bastan unos diez mil fotones, que para 1550 nm equivalen a una energía consumida de 1.2 femtojulios; dicho caso es el ideal, en un dispositivo real el consumo medido será mayor. Como ocurre con todos los prototipos basados en grafeno, habrá que esperar a que se abaraten los costes de fabricación para que haya esperanzas de que lleguen a un mercado potencial. El artículo es Masaaki Ono, Masanori Hata, …, Masaya Notomi, “Ultrafast and energy-efficient all-optical switching with graphene-loaded deep-subwavelength plasmonic waveguides,” Nature Photonics (25 Nov 2019), doi: https://doi.org/10.1038/s41566-019-0547-7.

En el dispositivo se coloca una tira de grafeno monocapa de entre 3.2 y 7.2 μm de anchura sobre dos contactos de oro de 20 nm de grosor (que actúan como metales) separados entre sí por una distancia de unos 30 nm (en la que hay aire que actúa como aislante), todo ello sobre un sustrato de dióxido de silicio. En este dispositivo MIM (Au-aire-Au) la luz (con λ = 1550 nm) se confina fuertemente en la guía de onda formada por el canal de aire, cuya sección transversal es del orden de λ²/4000 ≈ 600 nm². Este confinamiento tan extremo permite que en el grafeno se produzca una fuerte absorción no lineal, que permite la conmutación.

Las medidas experimentales del prototipo de conmutador basado en grafeno con guía de onda MIM se ajustan muy bien a los cálculos teóricos. Así para un pulso de entrada gaussiano (o con forma de secante hiperbólica) de entre 1.5 y 2.0 ps a λ=1550 nm se obtiene a la salida un pulso de señal con una forma muy similar (con una transmitancia excelente). Cuando se aplica el pulso de control para suprimir la salida, el pulso de entrada es absorbido, lográndose una reducción de la transmitancia de entre 3 y 5 dB, en función de la duración del pulso de control (para un consumo de 12 fJ se logran 0.63 dB/μm y para 35 fJ unos 0.75 dB/μm).

En resumen, un prototipo muy prometedor, pero como otros dispositivos basados en grafeno tiene el inconveniente de la dificultad de fabricación; colocar de forma adecuada una hoja monoatómica de grafeno sobre un par de contactos de oro sigue siendo una labor muy costosa para una fabricación masiva. Las tecnologías basadas en el grafeno aún están en fase emergente, aunque algunas están ya en fase de crecimiento temprano. Falta mucho para que estas tecnologías maduren y copen múltiples nichos de mercado; tiempo al tiempo.



1 Comentario

  1. Cada vez que leo un articulo tuyo, me dan ganas de viajar a 30 años despues para ver como las cosas de las que hablas se hacen realidad. Ni me puedo imaginar lo que se podria hacer con todo esto y con otras cosas de las que hablas por aqui
    Fantástico trabajo, gracias.

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