Investigadores construyen sensores ópticos ultra eficientes que reducen la luz a un chip

Según un análisis efectuado durante las pruebas de laboratorio, las resonancias ópticas logradas con los nuevos microresonadores exhibieron una forma profunda y estrecha, permitiendo a los científicos diferenciar eficientemente la absorción y los efectos térmicos dentro del dispositivo. Estos resultados, obtenidos por el equipo liderado por James Erikson, estudiante de doctorado en física de la Universidad de Colorado Boulder, constituyen un avance significativo en la manipulación de la luz a escala microscópica. Este desarrollo representa una oportunidad para diseñar sensores ópticos de alto rendimiento enfocados en una amplia gama de aplicaciones tecnológicas, tal como informó el medio Applied Physics Letters.

El proyecto, dirigido por investigadores de la Universidad de Colorado Boulder (CU Boulder), se centró en construir microresonadores ópticos capaces de optimizar la circulación y la intensidad de la luz dentro de un chip. Según detalló Applied Physics Letters, estos dispositivos diminutos capturan luz y la intensifican, lo cual permite realizar a futuro tareas sofisticadas relacionadas con la detección y procesamiento óptico. Bright Lu, estudiante de doctorado y autor principal del estudio, afirmó que una de las metas del equipo es disminuir la energía óptica que consumen estos resonadores para facilitar su integración en diferentes tipos de sensores, desde sistemas de navegación hasta identificación de sustancias químicas.

El diseño adoptado por los investigadores se basa en los llamados resonadores de “pista de carreras”, denominados así por su forma alargada. El trabajo introdujo un elemento esencial de innovación: la utilización de “curvas de Euler”. Este tipo de curvas, común en infraestructuras viarias y ferroviarias, también favorece un flujo más controlado de la luz en estos dispositivos. Según el profesor Won Park, de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Sheppard, las “curvas de pista” minimizan las pérdidas por flexión, permitiendo que los fotones circulen durante más tiempo y generen interacciones más intensas dentro del microresonador. Park explicó que la correcta gestión del recorrido de la luz es crucial, ya que la pérdida excesiva limita las posibilidades de alcanzar la intensidad óptica requerida para el funcionamiento efectivo del dispositivo.

El proceso de fabricación aprovechó la litografía por haz de electrones, implementada en la sala limpia del Centro Compartido de Instrumentación de Colorado para Nanofabricación y Caracterización (COSINC). La tecnología de haz de electrones prescinde de la limitación que impone la longitud de onda de la luz en procedimientos tradicionales, lo cual permite obtener estructuras con una resolución subnanométrica. Según aportó Bright Lu al medio Applied Physics Letters, esta precisión resulta fundamental para garantizar el desempeño de los microresonadores ópticos y evita los inconvenientes provocados por el polvo o las imperfecciones en superficies que pueden afectar la transmisión de la luz.

La elección de materiales representó otro pilar clave en el proyecto. El grupo optó por utilizar calcogenuros, una familia de vidrios semiconductores con alta transparencia y no linealidad, que resultan ventajosos para dispositivos fotónicos. El profesor Park indicó que la capacidad de los calcogenuros para permitir el paso de luz en intensidades elevadas los hace adecuados para empleos donde se requieren altas prestaciones, aunque reconoció que su procesamiento implica retos técnicos. Juliet Gopinath, profesora asociada y colaboradora del proyecto desde hace más de una década, afirmó que los resultados evidencian que una reducción significativa de las pérdidas por flexión puede proporcionar dispositivos ópticos de bajísimas pérdidas, en condiciones comparables a las de tecnología utilizada en materiales alternativos de última generación.

La validación de los dispositivos requirió una manipulación precisa. James Erikson coordinó el acoplamiento de láseres hacia las guías de ondas microscópicas integradas en los microresonadores, tarea que permitió observar el comportamiento de los fotones al ser capturados por resonancia. Mediante el análisis de las “caídas” en los registros de luz transmitida, el equipo extraía información sobre la absorción y las variaciones provocadas por temperaturas elevadas. Erikson explicó que la eficiencia de un dispositivo se mide en la nitidez y profundidad de estas resonancias, mientras que el balance entre la absorción y la transmisión de la luz determina el rendimiento final. Además, recordó que los cambios térmicos pueden modificar la interacción entre los materiales y la luz, lo que a su vez modifica las propiedades funcionales del dispositivo según consignó Applied Physics Letters.

Este avance, según el equipo de la Universidad de Colorado Boulder, puede impulsar futuras aplicaciones en el desarrollo de microláseres compactos, sensores químicos y biológicos sofisticados, e instrumentos útiles para la metrología o redes cuánticas. Bright Lu subrayó ante Applied Physics Letters que la meta a largo plazo consiste en facilitar la producción masiva de estos dispositivos mediante procesos compatibles con la fabricación a gran escala, integrando microrresonadores junto a componentes como láseres, moduladores y detectores en plataformas fotónicas modernas. El equipo considera que perfeccionar la manipulación de la luz a estas pequeñas escalas es relevante para las siguientes generaciones de sensores y sistemas de comunicación óptica.