Los moduladores electro-ópticos, que controlan aspectos de la luz en respuesta a señales eléctricas, son esenciales para todo, desde la detección hasta la metrología y las telecomunicaciones. Hoy en día, la mayor parte de la investigación sobre estos moduladores se centra en aplicaciones que tienen lugar en chips o dentro de sistemas de fibra óptica. Pero, ¿qué pasa con las aplicaciones ópticas fuera del cable y fuera del chip, como la detección de distancia en los vehículos?
Las tecnologías actuales para modular la luz en el espacio libre son voluminosas, lentas, estáticas o ineficientes. Ahora, investigadores de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS), en colaboración con investigadores del departamento de Química de la Universidad de Washington, han desarrollado un modulador electroóptico compacto y sintonizable para aplicaciones de espacio libre que puede modular la luz a una velocidad de gigahercios.
«Nuestro trabajo es el primer paso hacia una clase de moduladores electroópticos de espacio libre que proporcionan una modulación de intensidad compacta y eficiente a velocidades de gigahercios de haces de espacio libre en longitudes de onda de telecomunicaciones», dijo Federico Capasso, profesor de Física Aplicada Robert L. Wallace. y Vinton Hayes Senior Research Fellow en Ingeniería Eléctrica, autor principal del artículo.
La investigación se publica en Comunicaciones de la naturaleza.
Las metasuperficies planas y compactas son plataformas ideales para controlar la luz en el espacio libre, pero la mayoría son estáticas, lo que significa que no pueden encenderse ni apagarse, una funcionalidad clave para los moduladores. Algunas metasuperficies activas pueden modular la luz de manera efectiva, pero solo a velocidades bajas, solo unos pocos megahercios.
Para aplicaciones como la detección o las comunicaciones en el espacio libre, necesita ráfagas de luz cortas y rápidas, en la escala de gigahercios.
El modulador de alta velocidad desarrollado por Capasso y su equipo reúne resonadores de metasuperficie con materiales electroópticos orgánicos de alto rendimiento y diseño electrónico de alta frecuencia para modular de manera eficiente la intensidad de la luz en el espacio libre.
El modulador consta de una capa delgada de un material electroóptico orgánico depositado sobre una metasuperficie grabada con resonadores de longitud de onda inferior integrados con electrónica de microondas. Cuando se aplica un campo de microondas al material electroóptico, su índice de refracción cambia, cambiando la intensidad de la luz que transmite la metasuperficie en meros nanosegundos.
«Con este diseño, ahora podemos modular la luz de 100 a 1000 veces más rápido que antes», dijo Ileana-Cristina Benea-Chelmus, investigadora asociada en Capasso Lab y primera autora del artículo. «Este avance en velocidad abre nuevas posibilidades en computación o comunicaciones y la capacidad de ajuste de la metasuperficie abre un vasto espacio de aplicación para fotónica ultracompacta y personalizada que en el futuro puede depositarse en cualquier producto óptico de espacio libre a nanoescala».
A continuación, los investigadores pretenden ver si pueden modular la luz aún más rápido y, al cambiar el diseño de la metasuperficie, modular otros aspectos de la luz, como la fase o la polarización.
La Oficina de Desarrollo Tecnológico de Harvard ha protegido la propiedad intelectual asociada con este proyecto.
Los coautores de la investigación fueron Sydney Mason, Maryna L. Meretska, Dmitry Kazakov, Amirhassan Shams-Ansari de SEAS, y Larry R. Dalton y Delwin Elder de la Universidad de Washington. Fue apoyado en parte por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea con los números de concesión FA9550-19-1-0352 y FA9550-19-1-0069 y el programa MURI de la Oficina de Investigación Naval (ONR), con el número de concesión N00014-20- 1-2450. Este trabajo se realizó en parte en el Centro de Sistemas a Nanoescala (CNS) de la Universidad de Harvard, miembro de la Red Nacional de Infraestructura Coordinada de Nanotecnología (NNCI), que cuenta con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias bajo el premio NSF no. ECCS-2025158.
