Conmutar haces de luz con rapidez es importante en numerosas aplicaciones tecnológicas. Investigadores de ETH han desarrollado ahora un interruptor “electroopto-mecánico” para haces de luz que es considerablemente más pequeño y rápido que los modelos actuales. Esto resulta relevante para aplicaciones como los coches autónomos y las tecnologías cuánticas ópticas.
Los coches autónomos han mejorado y se han vuelto más fiables en los últimos años. Sin embargo, antes de que puedan circular de forma totalmente autónoma por nuestras carreteras en un futuro próximo, aún deben superarse algunos obstáculos. Sobre todo, la necesidad de evaluar el entorno a una velocidad vertiginosa y de reconocer personas y obstáculos lleva a las tecnologías actuales al límite de sus posibilidades. Un equipo de científicos dirigido por Jürg Leuthold, del Instituto de Campos Electromagnéticos de ETH Zúrich, junto con colegas del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) de Estados Unidos y de la Universidad de Chalmers en Gotemburgo (Suecia), ha desarrollado un novedoso interruptor electroopto-mecánico que podría resolver elegantemente ambos problemas en el futuro.
La plasmónica como ingrediente mágico
Para lograrlo, los investigadores recurrieron a un ingrediente mágico conocido como “plasmónica”. En esta tecnología, las ondas de luz se comprimen en estructuras mucho más pequeñas que la longitud de onda de la luz, algo que, según las leyes de la óptica, debería ser imposible. Sin embargo, puede hacerse posible guiando la luz a lo largo de la frontera entre un metal y un dieléctrico, es decir, una sustancia, como el aire o el vidrio, que apenas conduce la corriente eléctrica.
Las ondas electromagnéticas de la luz penetran parcialmente en el metal y hacen oscilar a los electrones que contiene, lo que da lugar a una criatura híbrida formada por una onda de luz y una excitación electrónica: el plasmón. Hace más de diez años, algunos físicos de renombre ya predijeron que los interruptores ópticos basados en plasmones podrían provocar una revolución en la transmisión y el procesamiento de datos, ya que ambos pueden realizarse mucho más rápido con fotones que con la electrónica tradicional.
Hasta ahora, sin embargo, las aplicaciones comerciales reales han fracasado debido a las grandes pérdidas que sufren los fotones al transportarse a través de dispositivos plasmónicos, y a los altos voltajes de conmutación necesarios.
Aprovechar las fortalezas de la plasmónica
“Ahora hemos resuelto esos problemas aprovechando las buenas propiedades de la plasmónica y minimizando las malas”, afirma el investigador posdoctoral Christian Haffner, quien dirigió el proyecto y también es primer autor del artículo publicado recientemente en Science. La característica central del interruptor electroopto-mecánico desarrollado por Haffner y sus colegas es una membrana de oro de solo 40 nanómetros de grosor y unos pocos micrómetros de ancho, separada de un sustrato de silicio por un disco de óxido de aluminio.
En esta configuración, el tamaño de la separación entre la membrana de oro y el sustrato puede controlarse mediante fuerzas mecánicas. Cuando se aplica un voltaje, la membrana se curva ligeramente y, como resultado, la separación se reduce.
El tamaño de la separación, a su vez, determina si una onda de luz simplemente pasa junto a la membrana de oro o se desvía alrededor de ella. Aquí es donde intervienen los plasmones. De hecho, para una determinada anchura de la separación, solo pueden excitarse en la membrana de oro plasmones con una longitud de onda concreta. Si la luz tiene una longitud de onda diferente, no se acopla a la membrana, sino que se propaga en línea recta dentro de la guía de ondas de silicio.
Pequeñas pérdidas y voltaje de conmutación
“Como solo utilizamos los plasmones para el breve recorrido alrededor de la membrana de conmutación, las pérdidas son considerablemente menores que las de los interruptores electroópticos actuales”, explica Haffner. “Además, hicimos la membrana de oro muy pequeña y delgada, de modo que podemos conmutarla muy rápidamente y con un voltaje reducido.”
Los científicos ya han demostrado que su nuevo interruptor puede activarse y desactivarse varios millones de veces por segundo con un voltaje eléctrico de poco más de un voltio. Esto hace superfluos los amplificadores voluminosos y de alto consumo energético que suelen utilizarse en los interruptores electroópticos. En el futuro, los científicos planean mejorar aún más su interruptor reduciendo todavía más la separación entre el oro y el silicio. Esto permitirá reducir significativamente tanto las pérdidas de luz como el voltaje de conmutación.
Aplicaciones desde los coches hasta las tecnologías cuánticas
Las posibles aplicaciones del nuevo interruptor son numerosas. Por ejemplo, los sistemas LIDAR (“Light Detection and Ranging”, detección y medición por luz) para coches autónomos, en los que la intensidad y la dirección de propagación de los haces de luz deben variar con extrema rapidez, podrían beneficiarse de los interruptores rápidos y compactos.
Además, el reconocimiento de patrones necesario para dirigir los coches también podría acelerarse con este tipo de interruptores. Para ello, los interruptores podrían utilizarse en redes neuronales ópticas que imitan el cerebro humano. Allí se emplearían como elementos de ponderación con los que la red “aprende” a reconocer determinados objetos, prácticamente a la velocidad de la luz.
Este tipo de implementaciones ópticas de circuitos que normalmente funcionan con corriente eléctrica también son temas candentes en otras áreas. Los circuitos cuánticos ópticos también se estudian intensamente, por ejemplo, para la realización de tecnologías cuánticas (que se imparten en el nuevo máster Quantum Engineering lanzado recientemente en ETH). Hasta ahora, los circuitos cuánticos ópticos se han apoyado en interruptores ópticos clásicos. Estos interruptores suelen basarse en una variación del índice de refracción de un material cuando se calienta, lo que modifica el grado en que los haces de luz se desvían al atravesarlo.
Sin embargo, se trata de un proceso lento y, a largo plazo, incompatible con las bajas temperaturas a las que suelen funcionar otros elementos cuánticos, como los bits cuánticos o “qubits” de un ordenador cuántico (equivalentes a los bits clásicos que representan “0” y “1”). Por tanto, un interruptor rápido que prácticamente no se calienta en absoluto también sería una valiosa incorporación para este tipo de aplicaciones.
