Un amplificador óptico de alto rendimiento para microdispositivos

El amplificador de alta potencia (Imagen: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen) / (Imagen: DESY, Neteesh Singh / Jan Lorenzen)

Investigadores del DESY han desarrollado un amplificador de alta potencia del tamaño de un milímetro con más de un vatio de potencia de salida en microchips ópticos basados en silicio. Esta potencia de salida es varias veces superior a lo que hasta ahora era posible en esta escala diminuta y permite el uso de amplificadores de alta potencia integrados en la fotónica, en lugar de amplificadores externos. De esta manera, podrían operarse dispositivos y sensores miniaturizados mucho más sencillos y económicos que los actuales, como los que se utilizan en cirugía médica, teledetección por láser, telecomunicaciones, así como en circuitos ópticos para futuros aceleradores y fuentes de rayos X, que se emplean cada vez más frecuentemente. Los investigadores han confirmado experimentalmente que estos amplificadores de alta potencia muy compactos son posibles, como informan en la revista Nature Photonics.

Los amplificadores de alta potencia son componentes críticos en los sistemas ópticos modernos. "Para poder usarlos de manera más general, estos sistemas deben ser muy pequeños, similares a la microelectrónica —preferiblemente en el rango de milímetros— pero sin reducir su rendimiento. Además, deberían poder fabricarse en masa y, por tanto, ser de bajo costo", dice Neetesh Singh, autor principal del estudio, quien trabaja en el grupo de DESY para física de láseres ultracortos y rayos X en el Centro para Ciencias de Láser de Electrones Libres (CFEL). Sin embargo, la miniaturización encuentra límites, ya que un sistema óptico puede almacenar y suministrar menos energía cuanto más pequeño sea. Hasta ahora, no se había logrado construir amplificadores ópticos de alta potencia lo suficientemente pequeños para integrarlos en microchips. En su lugar, estos microsistemas dependían de amplificadores externos mucho más grandes y costosos.

En el nuevo estudio, sin embargo, el equipo de Singh utilizó por primera vez un llamado guía de onda de área de modo grande (LMA), que habían desarrollado previamente, para amplificar una señal de luz en un espacio extremadamente reducido. La clave está en la sección transversal del campo eléctrico guiado por la guía de onda, llamada "modo". En los experimentos actuales, el equipo de Singh logró ampliar la sección transversal del modo en una guía de onda fotónica de nitruro de silicio y óxido de aluminio, de solo 1 a 30 micrómetros cuadrados. De este modo, la potencia de salida se incrementó de unos pocos decenas de milivatios a más de un vatio.

Esto fue posible gracias a un diseño ingenioso de la superficie del microchip, que mide solo cuatro milímetros cuadrados, donde la señal de luz se transmite a través de una estrecha guía de onda de nitruro de silicio, cubierta con una capa controlada de óxido de aluminio. La guía de onda de nitruro de silicio puede atravesar varias veces una región llamada LMA. La señal óptica que viaja por la guía comienza siendo pequeña, débil y confinada en ella, como en otras guías fotónicas. Sin embargo, pasa por una sección diseñada específicamente para ampliar el modo. "De esta forma, el modo se exprime casi como si fuera una burbuja de aire que sale de la guía, ampliando considerablemente su sección transversal y flotando como una nube sobre la capa de óxido de aluminio que está sobre la guía", explica Singh. "Pero permanece conectada a la guía original como un globo de aire caliente con su cesta."

La capa de óxido de aluminio está llena de iones de tulio, que son excitados a un estado energéticamente elevado mediante una llamada bomba óptica — un láser externo. Estos iones interactúan con los fotones de la señal en un rango relativamente amplio, denominado "área de modo grande" o "zona LMA". Y, debido a que el modo ahora es tan grande, los fotones pueden interactuar con muchos iones energizados y extraerles energía: "Así como un quitanieves grande puede remover más nieve en una pasada que una pequeña pala, un modo grande puede contener más iones", dice Singh.

Los investigadores amplifican aún más la señal enviándola varias veces a través de la región LMA. Para ello, la guía de onda se ensancha nuevamente, atrayendo la nube de señal flotante de vuelta a la estrecha guía de nitruro de silicio, realiza una curva de 180 grados en el borde del chip, vuelve a dirigir la señal a través de la área LMA y se vuelve a ampliar, de modo que el modo se comprime nuevamente en la capa de energía para absorber aún más potencia.

Al final, se obtiene una señal mucho más fuerte que al principio, todo en un espacio muy reducido, integrado en un microchip. Y la calidad de la señal se mantiene. Los amplificadores externos ya no son necesarios en muchos sistemas, lo que hace que los sistemas sean no solo más pequeños, sino también más económicos y confiables: "Nuestro microamplificador de alta potencia basado en LMA nos permitirá en el futuro integrar circuitos ópticos complejos con alta potencia de salida, de manera similar a lo que ya conocemos en microelectrónica. Esto nos permitirá fabricar sistemas ópticos complejos para aceleradores, fuentes de rayos X y muchas otras aplicaciones de forma económica y con alta fiabilidad", destaca Franz Kärtner, director del grupo de física de láseres ultracortos y rayos X, quien también es profesor de física en la Universidad de Hamburgo.

Este trabajo de investigación fue financiado tanto por el programa European Innovation Council — EIC-Pathfinder "Femtochip" — como por el programa de especialización 2111 de la Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): "Procesamiento de señales ultrarrápido mediante tecnología nanofotónica/electrónica", proyecto PACE (403188360). La fabricación a gran escala se realizó en cooperación con la empresa LIGENTEC, SA en Suiza y el grupo de Sonia M. Garcia-Blanco en el instituto MESA+ de la Universidad de Twente en los Países Bajos, también puede consultarse en https://www.femtochip.eu/.

El número DOI de la publicación original 'Amplificador óptico de alta potencia basado en fotónica de silicio de clase watt' es 10.1038/s41566-024-01587-9: https://www.nature.com/articles/s41566-024-01587-9