Un nuevo tipo de interruptor óptico que utiliza un punto cuántico

Un interruptor óptico desarrollado en el Joint Quantum Institute (JQI) impulsa la integración de la fotónica y la electrónica.

¿Qué? ¿Acaso la electrónica no es suficiente? Bueno, nada viaja más rápido que la luz, y dado el tiempo y el esfuerzo dedicados a acelerar el procesamiento y la transmisión de conocimiento, el uso combinado de fotones y electrones es deseable para desarrollar un protocolo optoelectrónico viable. El interruptor JQI puede dirigir un haz de luz de una dirección a otra en tan solo 120 picosegundos, sin requerir prácticamente ninguna energía, no más de 90 atto julios. En la longitud de onda utilizada, en el infrarrojo cercano, esto equivale a unos 140 fotones. Esta es, en realidad, la configuración de una guía de ondas hecha de un cristal fotónico, un gran dispositivo integrado en el área de transmisión de fibra óptica .

Se coloca un punto cuántico dentro de una pequeña zona libre de agujeros. La luz se distribuye hacia y desde la guía de ondas a través de tapas terminales. Si se sincroniza correctamente, un pulso láser de bombeo permite que el pulso de sonda salga por el lateral. Cuando los haces de sonda y de bombeo no están alineados, el haz de sonda saldrá por el otro extremo de la guía de ondas. El componente principal de la mayoría de los dispositivos electrónicos es el transistor, un componente de estado sólido donde se utiliza una señal de puerta hacia una pequeña vía conductora cercana, activando y desactivando así el paso de la señal de información.

El proceso análogo en fotónica sería un componente de estado sólido que proporciona una puerta, permitiendo o deshabilitando el paso de la luz a través de una guía de ondas cercana, o como un enrutador, para conmutar haces en diferentes direcciones. Dentro del experimento JQI, preparado y llevado a cabo en la Universidad de Maryland y en el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) por Edo Waks y sus colegas, se ha creado un interruptor totalmente óptico utilizando un punto cuántico colocado en la cavidad resonante. El punto, que consiste en un sándwich de tamaño nm de los elementos indio y arsénico, es tan diminuto que los electrones que se mueven en su interior solo pueden emitir luz en longitudes de onda discretas, como si el punto fuera un átomo. El punto cuántico se encuentra dentro de un cristal fotónico, un material que ha sido cansado de muchos agujeros diminutos.

Los agujeros impiden el paso de la luz solar a través del cristal, excepto en un rango estrecho de longitudes de onda. De hecho, el punto se asienta en la pequeña arcada sin agujeros, que actúa como una cavidad resonante. Cuando la luz viaja por la guía de ondas cercana, gran parte de ella entra en la cavidad, donde interactúa con el punto cuántico. Es esta interacción la que podría transformar las propiedades de transmisión de la guía de ondas. Aunque se necesitan 140 fotones en la guía de ondas para crear la acción de conmutación, solo se requieren unos 6 fotones para modular el punto cuántico, activando así el interruptor.

Los interruptores ópticos anteriores solo funcionaban utilizando voluminosos cristales no lineales y una alta potencia de entrada. En comparación, el interruptor JQI logra interacciones altamente no lineales utilizando un solo punto cuántico y una entrada de potencia muy baja. La conmutación requería solo 90 atto julios de potencia, unas cinco veces menos que el mejor dispositivo registrado hasta ahora, fabricado en laboratorios japoneses, que a su vez consumía 100 veces menos energía que otros interruptores totalmente ópticos. Sin embargo, el interruptor japonés tiene la ventaja de funcionar a temperatura ambiente, ya que el interruptor JQI requiere una temperatura cercana a los 40 K.

Continuando con nuestra analogía con la electrónica: la luz que viaja por la guía de ondas mediante un haz portador de información podría cambiar de una dirección a otra mediante la presencia de un segundo pulso, un haz de control. Para dirigir el haz de sonda hacia un lado del dispositivo, el haz de bombeo, ligeramente desintonizado, debe llegar simultáneamente con el haz de sonda, es decir, en resonancia con el punto. El punto se encuentra justo al lado de las pestañas centrales de la guía de ondas, dentro de la cavidad. La temperatura del punto cuántico se ajusta para entrar en resonancia con la cavidad, lo que genera un fuerte acoplamiento. Si el haz de bombeo no llega al mismo tiempo que la sonda, este saldrá en otra dirección.