Un sistema permite explotar la dispersión de luz causada por vibraciones mecánicas

Científicos proponen un dipositivo teorico compuesto por microdiscos de silicio con cavidades que podrán posibilitar la interacción entre ondas ópticas y mecánicas que vibran en la franja de las decenas de GHz

Por Elton Alisson  |  Agência FAPESP – Científicos del Instituto de Física Gleb Wataghin de la Universidad de Campinas (IFGW-Unicamp), en São Paulo, Brasil, desarrollaron teóricamente un dispositivo fotónico de silicio que podrá hacer posible la interacción entre ondas ópticas y ondas mecánicas que vibran en la franja de las decenas de gigahercios (GHz).

Este dispositivo, producto de los proyectos intitulados “Nanofotónica en semiconductores de los grupos IV y III-V”  y “Optomecánica en cristales fotónicos y fonónicos”, ambos apoyados por la FAPESP en la modalidad Jóvenes Investigadores en Centros Emergentes, y desarrollado durante el doctorado de Yovanny Espinel, aparece descrito en un artículo publicado en la revista Scientific Reports, del grupo Nature.

“Propusimos mediante simulaciones computacionales un dispositivo que permitiría explotar un mecanismo de dispersión de luz a través vibraciones mecánicas –llamado dispersión de Brillouin–, que podría ser aplicarse en microchips fotónicos”, declaró Gustavo Silva Wiederhecker, docente del IFGW-Unicamp y coordinador del proyecto, a Agência FAPESP.

El investigador y su grupo de la Unicamp se han venido dedicando durante los últimos años a estudiar este mecanismo, descrito inicialmente en 1922 por el físico francés Léon Nicolas Brillouin (1889 – 1969), mediante el cual, al pasar por un medio transparente, la luz (los fotones) interactúa con vibraciones elásticas (fonones) de altísimas frecuencias, del orden de las decenas de GHz.

Este efecto sólo pudo explorarse eficientemente a partir de los años 1960, con la invención del láser, a cargo del físico estadounidense Theodore Harold Maiman (1927 – 2007).

En esa época, se observó que, dependiendo de la potencia con la cual se irradie la luz en una fibra óptica con una fuente de láser, el campo electromagnético de la luz excita a las ondas acústicas que se propagan a lo largo del material y éstas propagan la luz en una nueva frecuencia, distinta a la irradiada originalmente por el láser.

“Este mecanismo de dispersión de luz es fácilmente observable en las fibras ópticas, que pueden tener una extensión de centenas de kilómetros, porque es acumulativo [se va sumando a lo largo del material]”, afirmó Silva Wiederhecker.

“Pero es más difícil observárselo y explorárselo en un dispositivo optomecánico [capaz de confinar simultáneamente ondas de luz y mecánicas, de manera tal de permitir que las mismas interactúen], a escala micrométrica, en razón de su diminuto tamaño para la circulación de la luz”, explicó.

Microcavidades

Con el fin de superar esta limitación del tamaño del material para la propagación de la luz, el investigador y su grupo están desarrollando discos de silicio de aproximadamente 10 micrones (μm) de diámetro –el equivalente a una décima parte del espesor de un cabello– que actúan como microcavidades.

Con la ayuda de una fibra óptica de aproximadamente dos micrones de diámetro, los científicos acoplan luz a este sistema. Y merced a la reflexión que sufre en el borde del material, la luz da miles de vueltas en la cavidad del disco durante algunos nanosegundos para luego disiparse.

De este modo, la luz permanece durante un tiempo mucho mayor en la cavidad, interactúa en más ocasiones con la materia y los efectos optomecánicos aumentan. “Es como si la luz se hubiera propagado por una distancia mucho mayor”, explicó Silva Wiederhecker.

Con todo, el problema radica en que esa microcavidad en forma de disco no permite que la luz en ninguna de las frecuencias sea resonante –que se propague por ellas–, amén de permitir que la luz que el láser irradió originariamente se propague. “Esto inviabiliza la posibilidad de explotar el efecto de dispersión de Brillouin en esas microcavidades”, afirmó el investigador.

Mediante simulaciones computacionales, los científicos propusieron construir teóricamente no un microdisco con una cavidad sino un sistema compuesto por dos microdiscos de silicio con una cavidad cada uno y acoplados lateralmente, donde la distancia existente entre sus cavidades es sumamente pequeña, de unas centenas de nanómetros (la milmillonésima parte del metro), lo que crea un efecto llamado separación de frecuencia.

Este efecto permite efectuar una pequeña separación de la frecuencia de la luz propagada por la onda acústica de la luz emitida por el láser, del orden de entre 11 y 25 GHz –que es exactamente la misma de las ondas mecánicas– y asegurarse de que los miles de fonones (excitaciones elementales de las ondas acústicas) generados por segundo en este sistema (en tasas que varían de 50 a 90 KHz) puedan propagarse en las cavidades.

 De esta forma es posible observar y explotar la dispersión de Brillouin en ese sistema micrométrico, estimó Silva Wiederhecker.

 “Demostramos que con un láser con una potencia de una magnitud de un milivatio –que es equivalente a la  potencia del láser que se emplea en un puntero para presentaciones en Power Point, por ejemplo– sería posible observar el efecto de la dispersión de Brillouin en un sistema con dos cavidades”, afirmó.

Puede leerse el artículo intitulado “Brillouin optomechanics in coupled silicon microcavities” (doi: 10.1038/srep43423), de Espinel y otros, en la revista Scientific Reports, en el siguiente enlace: www.nature.com/articles/srep43423.