Los chips fotónicos utilizan la luz para procesar datos en lugar de electricidad, lo que permite velocidades de comunicación más rápidas y un mayor ancho de banda. La mayor parte de esa luz típicamente permanece en el chip, atrapada en cables ópticos, y es difícil de transmitir al exterior de manera eficiente.
Si se pudiera irradiar una gran cantidad de luz de forma rápida y precisa desde el chip, liberada de las limitaciones del cableado, se abrirían las puertas a pantallas de mayor resolución, sistemas LiDAR más pequeños, impresoras 3D más precisas o computadoras cuánticas a mayor escala.
Ahora, investigadores del MIT y otras instituciones han desarrollado una nueva clase de dispositivos fotónicos que permiten la transmisión precisa de luz desde el chip hacia el espacio libre de una manera escalable.
Su chip utiliza una matriz de estructuras microscópicas que se curvan hacia arriba, asemejándose a pequeños saltos de esquí brillantes. Los investigadores pueden controlar cuidadosamente cómo se emite la luz desde miles de estas pequeñas estructuras a la vez.
Utilizando esta nueva plataforma, proyectaron imágenes detalladas a todo colour que son aproximadamente la mitad del tamaño de un grano de sal de mesa. Empleada de esta manera, la tecnología podría ayudar en el desarrollo de gafas de realidad aumentada ligeras o pantallas compactas.
También demostraron cómo los “saltos de esquí” fotónicos podrían utilizarse para controlar con precisión los qubits, o bits cuánticos, en un sistema de computación cuántica.
“En un chip, la luz viaja por cables, pero en nuestro mundo normal, en el espacio libre, la luz viaja donde quiere. La interfaz entre estos dos mundos ha sido un desafío durante mucho tiempo. Pero ahora, con esta nueva plataforma, podemos crear miles de haces láser controlables individualmente que pueden interactuar con el mundo exterior al chip de una sola vez”, afirma Henry Wen, científico investigador visitante en el Laboratorio de Investigación Electrónica (RLE) del MIT, científico investigador en MITRE y coautor principal de un artículo sobre la nueva plataforma.
Le acompañan en el artículo los coautores principales Matt Saha, de MITRE; Andrew S. Greenspon, científico visitante en RLE y MITRE; Matthew Zimmermann, de MITRE; Matt Eichenfeld, profesor de la Universidad de Arizona; el autor principal Dirk Englund, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática del MIT e investigador principal del Grupo de Fotónica Cuántica e Inteligencia Artificial y el RLE; así como otros investigadores del MIT, MITRE, Sandia National Laboratories y la Universidad de Arizona. La investigación aparece hoy en Nature.
Una plataforma escalable
Este trabajo surgió del Programa Quantum Moonshot, una colaboración entre el MIT, la Universidad de Colorado en Boulder, la Corporación MITRE y los Laboratorios Nacionales de Sandia para desarrollar una nueva plataforma de computación cuántica utilizando los qubits basados en diamantes que se están desarrollando en el laboratorio Englund.
Estos qubits basados en diamantes se controlan utilizando haces láser, y los investigadores necesitaban una forma de interactuar con millones de qubits a la vez.
“No podemos controlar un millón de haces láser, pero es posible que necesitemos controlar un millón de qubits. Por lo tanto, necesitábamos algo que pudiera disparar haces láser al espacio libre y escanearlos sobre un área grande, como disparar una pistola de camisetas a la multitud en un estadio deportivo”, explica Wen.
Los métodos existentes utilizados para transmitir y dirigir la luz desde un chip fotónico suelen funcionar con solo unos pocos haces a la vez y no pueden ampliarse lo suficiente como para interactuar con millones de qubits.
Para crear una plataforma escalable, los investigadores desarrollaron una nueva técnica de fabricación. Su método produce chips fotónicos con pequeñas estructuras que se curvan hacia arriba desde la superficie del chip para irradiar haces láser al espacio libre.
Construyeron estos pequeños “saltos de esquí” para la luz creando estructuras de dos capas a partir de dos materiales diferentes. Cada material se expande de manera diferente cuando se enfría a partir de las altas temperaturas de fabricación.
Los investigadores diseñaron las estructuras con patrones especiales en cada capa para que, cuando la temperatura cambia, la diferencia de tensión entre los materiales provoque que toda la estructura se curve hacia arriba al enfriarse.
Este es el mismo efecto que en un termostato antiguo, que utiliza una bobina de dos materiales metálicos que se enrollan y desenrollan según la temperatura de la habitación, activando el sistema de calefacción, ventilación y aire acondicionado. “Ambos materiales, nitruro de silicio y nitruro de aluminio, eran tecnologías separadas. Encontrar una forma de combinarlos fue realmente la innovación de fabricación que permite los saltos de esquí. Esto no habría sido posible sin las contribuciones pioneras de Matt Eichenfield y Andrew Leenheer en Sandia National Labs”, afirma Wen.
En el chip, las guías de onda conectadas dirigen la luz hacia las estructuras de salto de esquí. Los investigadores utilizan una serie de moduladores para controlar rápida y precisamente cómo se enciende y apaga esa luz, lo que les permite proyectar luz desde el chip y moverla en el espacio libre.
Pintando con luz
Pueden transmitir luz en diferentes colores y, ajustando las frecuencias de la luz, ajustar la densidad del patrón que se emite. De esta manera, pueden esencialmente pintar imágenes en el espacio libre utilizando la luz.
“Este sistema es tan estable que ni siquiera necesitamos corregir errores. El patrón se mantiene perfectamente quieto por sí solo. Simplemente calculamos qué láseres de colour deben estar encendidos en un momento dado y luego los encendemos”, explica.
Debido a que los puntos individuales de luz, o píxeles, son tan pequeños, los investigadores pueden utilizar esta plataforma para generar pantallas de muy alta resolución. Por ejemplo, con su técnica, se pueden colocar 30.000 píxeles en la misma área que solo puede contener dos píxeles utilizados en las pantallas de los teléfonos inteligentes, dice Wen.
“Nuestra plataforma es el motor óptico ideal porque nuestros píxeles están en el límite físico de lo pequeño que puede ser un píxel”, añade.
Además de pantallas de alta resolución y computadoras cuánticas más grandes con qubits basados en diamantes, el método podría utilizarse para producir sistemas LiDAR lo suficientemente pequeños como para caber en robots diminutos.
También podría utilizarse en procesos de impresión 3D que fabrican objetos utilizando láseres para curar capas de resina. Debido a que su chip genera haces de luz controlables tan rápidamente, podría aumentar significativamente la velocidad de estos procesos de impresión, lo que permitiría a los usuarios crear objetos más complejos.
En el futuro, los investigadores quieren ampliar su sistema y realizar experimentos adicionales sobre el rendimiento y la uniformidad de la luz, diseñar un sistema más grande para capturar la luz de una matriz de chips fotónicos con “saltos de esquí” y realizar pruebas de robustez para ver cuánto duran los dispositivos.
“Prevemos que esto abrirá la puerta a una nueva clase de capacidades de laboratorio en un chip y agentes micro-optorrobóticos definidos litográficamente”, afirma Wen.
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Programa Quantum Moonshot de MITRE, el Departamento de Energía de EE. UU. Y el Centro de Nanotecnologías Integradas.
