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Los científicos han desarrollado un modulador espacial de luz programable e inalámbrico que puede manipular la luz en la escala de longitudes de onda con una respuesta de órdenes de magnitud más rápida que los dispositivos existentes. Crédito: Sampson Wilcox
Un grupo internacional de investigadores, dirigido por un equipo del MIT, ha desarrollado un dispositivo programable e inalámbrico que puede controlar la luz, por ejemplo, enfocando un haz en una dirección específica o manipulando la intensidad de la luz, y hacerlo órdenes de magnitud más rápidamente que los dispositivos comerciales. Su dispositivo, denominado modulador de luz espacial, podría crear sensores lidar (de detección y alcance de luz) ultrarrápidos para coches autoconducidos, que podrían obtener imágenes de una escena un millón de veces más rápido que los sistemas mecánicos existentes. También podría acelerar los escáneres cerebrales, que utilizan la luz para "ver" a través del tejido.
Los escáneres podrían producir imágenes de mayor resolución y con menos ruido por las fluctuaciones dinámicas de los tejidos vivos, como la sangre que fluye, al ser capaces de obtener imágenes de los tejidos más rápidamente.
Un modulador espacial de luz (SLM) manipula la luz controlando sus propiedades de emisión. Transforma un haz de luz que pasa, enfocándolo en una dirección o refractándolo en muchos lugares para la formación de imágenes.
Un conjunto bidimensional de moduladores ópticos dentro del SLM controla la luz. Dado que las longitudes de onda de la luz son de sólo unos cientos de nanómetros, se necesita una matriz muy densa de controladores a nanoescala para controlar adecuadamente la luz a altas velocidades. Para ello, los científicos utilizaron una serie de microcavidades de cristal fotónico. Estos resonadores de cristal fotónico proporcionan un almacenamiento, procesamiento y emisión de luz controlable a escala de la longitud de onda.
Antes de salir al espacio, la luz se mantiene dentro de una cavidad durante casi un milisegundo y rebota más de 100.000 veces. Se necesita una milmillonésima de segundo, o un nanosegundo, para que el dispositivo altere la luz con precisión. Los científicos pueden regular la cantidad de luz que se escapa cambiando la reflectancia de un hueco. Para dirigir con rapidez y precisión un haz de luz, los científicos manipulan simultáneamente el conjunto para alterar un campo de luz completo.
Christopher Panuski, doctor en 22 años, que acaba de obtener su doctorado en ingeniería eléctrica e informática, afirma: "Un aspecto novedoso de nuestro dispositivo es su patrón de radiación diseñado. Queremos que la luz reflejada en cada cavidad sea un haz concentrado porque eso mejora el rendimiento de la dirección del haz del dispositivo final. Nuestro proceso es esencialmente una antena óptica ideal".
Los científicos lograron este objetivo gracias a un algoritmo recién desarrollado para diseñar dispositivos de cristal fotónico que forman la luz en un haz estrecho cuando sale de cada cavidad.
El equipo controló el SLM mediante una pantalla de micro-LED. Un LED puede sintonizar una sola microcavidad porque los píxeles del LED se alinean con los cristales fotónicos del chip de silicio. Cuando un láser incide en la microcavidad activada, la cavidad reacciona al láser de forma diferente según la luz del LED.
Michael Strain, profesor del Instituto de Fotónica de la Universidad de Strathclyde, declaró: "Esta aplicación de pantallas LED-on-CMOS de alta velocidad como fuentes de bombeo óptico a microescala es un ejemplo perfecto de las ventajas de las tecnologías fotónicas integradas y la colaboración abierta. Nos ha encantado trabajar con el equipo del MIT en este ambicioso proyecto".
"El uso de LEDs para controlar el dispositivo significa que la matriz es programable y reconfigurable, pero también completamente inalámbrica."
"Se trata de un proceso de control totalmente óptico. Sin cables metálicos, podemos colocar los dispositivos más cerca entre sí sin preocuparnos por las pérdidas de absorción".
Englund dijo: "Conseguir una arquitectura de dispositivos que fuera fabricable fue uno de los grandes retos al principio. Creo que sólo fue posible porque Chris trabajó estrechamente durante años con Mike Fanto y un maravilloso equipo de ingenieros y científicos de la AFRL, AIM Photonics y nuestros colaboradores, y porque Chris inventó una nueva técnica para el recorte holográfico basado en la visión artificial."
Los científicos utilizan un láser para "recortar" las microcavidades durante esta operación. El láser calienta el silicio a una temperatura de más de 1.000 °C, lo que da lugar a dióxido de silicio o vidrio. Para añadir una capa de vidrio que alinee las resonancias, o las frecuencias naturales a las que vibran las cavidades, los científicos desarrollaron un mecanismo que hace estallar simultáneamente todas las cavidades con el mismo láser.
Panuski afirma: "Tras modificar algunas propiedades del proceso de fabricación, demostramos que podíamos fabricar dispositivos de primera clase en un proceso de fundición con muy buena uniformidad. Ese es uno de los grandes aspectos de este trabajo: averiguar cómo hacerlos fabricables".
El dispositivo demostró un control casi perfecto, tanto en el espacio como en el tiempo, de un campo óptico con un "ancho de banda espaciotemporal" conjunto 10 veces mayor que el de los SLM existentes. La capacidad de controlar con precisión un enorme ancho de banda de luz podría permitir la creación de dispositivos capaces de transportar cantidades masivas de información con extrema rapidez, como los sistemas de comunicaciones de alto rendimiento.
Fuentes, créditos y referencias:
Fuente: MIT
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