Estudios de efectos optomecánicos pueden revolucionar las telecomunicaciones

Investigadores realizan experimentos en microcavidades ópticas para intentar manipular efectos físicos no lineales

Por Karina Toledo, desde Múnich

Agência FAPESP – En el campo de las telecomunicaciones vía fibra óptica, uno de los factores que limitan la cantidad de información pasible de transmitirse por un determinado canal es un efecto físico no lineal conocido como dispersión de Brillouin.

Este fenómeno se produce a medida que se aumenta la potencia luminosa y el campo eléctrico de la luz incidente crea una especie de onda acústica que se propaga por el material y dispersa la luz. Es un efecto especialmente perjudicial en enlaces de comunicación de larga distancia (aproximadamente 20 kilómetros), donde unos pocos milivatios (mW) de potencia son suficientes para que los fotones empiecen a retornar a la fuente emisora en lugar de seguir adelante hasta el receptor.

Mediante experimentos realizados con el apoyo de la FAPESP en el Instituto de Física Gleb Wataghin (IFGW), de la Universidad de Campinas (Unicamp), un grupo integrado por los investigadores Thiago Alegre y Gustavo Wiederhecker intenta comprender cómo se producen exactamente éste y otros efectos optomecánicos resultantes de la interacción de la luz con movimientos mecánicos en microcavidades ópticas, con el objetivo de lograr manipularlos en el futuro.

El tema fue abordado por Alegre el jueves 16 de octubre en Alemania, durante la programación de la FAPESP Week Munich.

“Entre las implicaciones prácticas de los sistemas optomecánicos se encuentran la creación de diminutos dispositivos, tales como moduladores de luz, llaves, memorias ópticas y láseres de Brillouin, que pueden emplearse en sistemas de telecomunicaciones de manera integrada. Sería una revolución comparable con la que se produjo en la electrónica en el transcurso de las últimas décadas. Con el achicamiento de los transistores, que son los dispositivos básicos, fue posible aumentar y acrecentar funcionalidades en un mismo chip”, afirmó Alegre en entrevista a Agência FAPESP.

El grupo de la Unicamp, que también cuenta con la participación del investigador Newton Frateschi, se ha venido dedicando a estudiar esos efectos optomecánicos, tales como la dispersión de Brillouin, en microcavidades construidas con discos de silicio de aproximadamente 10 micrones (μ) de diámetro, el equivalente a una décima parte del espesor de un cabello. Los discos se apoyan sobre un pedestal de tan sólo 1 μ de diámetro.

“Diseñamos y fabricamos cavidades ópticas en las cuales fuese posible observar la dispersión de Brillouin para frecuencias de entre 10 y 20 gigahertz, valores cercanos a la frecuencia de modulación en sistemas de telecomunicaciones. Las cavidades ópticas se asemejan a un frisbee. Acoplamos la luz en ese sistema con la ayuda de una fibra óptica de aproximadamente 2 µm de diámetro, y gracias a la reflexión que sufre la luz en el borde, ésta da centenas de vueltas en el disco durante algunos nanosegundos, hasta disiparse. Esto crea los llamados modos de susurro en galería (whispering gallery mode). Merced a este efecto, la luz permanece un tiempo mucho mayor en la cavidad, interactúa en más ocasiones con la materia y aumentan los efectos optomecánicos”, comentó el investigador.

A juicio de Alegre, la dispersión de Brillouin constituye un efecto optomecánico particularmente interesante, pues permite generar copias del láser y cambiar su color. “Se incide con la luz en una determinada frecuencia y ésta se dispersa en una frecuencia adyacente [un color cercano en el espectro luminoso]. Es posible cambiar el color del láser con una cavidad pasiva y transparente sencillamente, mediante la interacción del movimiento mecánico con la luz”, comentó Alegre.

Al colocar una cavidad al lado de la otra, explicó el investigador, es posible intensificar o disminuir el efecto de dispersión. Esto sucede debido a que la luz incidente y la que se dispersa estarán en modos de susurro en galería, lo que aumenta más aún el tiempo de permanencia de la luz en el sistema y, por ende, la interacción optomecánica.

El objetivo final, añadió el científico, consiste en poder definir a priori cuál será la frecuencia en que se producirá la dispersión. “En fibra óptica esta frecuencia es prácticamente fija, y depende únicamente del material (vidrio, en el caso de la fibra óptica). La idea es que, teniendo como base el diseño de la cavidad, se sepa o se pueda determinar cuál será la frecuencia resultante”, explicó Alegre.

Aplicaciones

En la actualidad, la telecomunicación óptica se plasma mediante el empleo de un sistema conocido como multiplexación por división de longitud de onda (del inglés Wavelength-division Multiplex, o WDM). Este protocolo permite que en una red se utilicen señales ópticas con distintas frecuencias directamente relacionadas con la longitud de onda en el mismo canal físico.

“Cuando se producen conversaciones simultáneamente en esos sistemas diferentes, o intercambio de información, cada una es transmitida en una frecuencia (un color) distinta. Pero hay momentos en que las centrales de telecomunicaciones deben cambiar la frecuencia de una de las conversaciones porque en un determinado sector del canal físico, aquella frecuencia ya se encuentra ocupada”, afirmó Alegre.

Para efectuar el cambio de frecuencia, en la actualidad es necesario transformar el pulso óptico en información eléctrica y generar nuevamente un pulso óptico en otra frecuencia. Los efectos optomecánicos, tales como la dispersión de Brillouin, si se los controlase bien, permitirían que ese sistema se tornase totalmente óptico. De esa forma, sería posible reducir el tamaño y el consumo de los routers y de dispositivos que realizan la alteración de la longitud de onda.

El control de la dispersión de Brillouin, según el investigador, permitiría también avances importantes desde el punto de vista de la física fundamental.

Podría utilizarse para enfriar modos mecánicos (no tienen que ver con la temperatura sino con la disminución de la vibración de determinados movimientos mecánicos de un objeto), por ejemplo, hasta su estado de más baja energía posible –la llamada energía del punto cero–, en el cual se comportan de acuerdo con las leyes de la mecánica cuántica.

“Esto haría posible estudiar qué sucede con el movimiento mecánico cuando se enfría hasta cero grado en la escala Kelvin. En esta situación, las cavidades prácticamente dejan de vibrar y se comportan como un sistema cuántico. Esto genera nuevos efectos que van más allá de lo que vemos en la física clásica”, afirmó el investigador.

En el mismo panel dedicado a la Nanotecnología y a la Fotónica, el investigador Sven Höfling, de la Escuela de Física y Astronomía de la University of St Andrews, del Reino Unido, presentó datos de un estudio que apunta a desarrollar un nuevo tipo de láser formado por excitones (un estado de la materia en el cual se combinan una partícula positiva y una negativa).