Como demostración de un fenómeno óptico fundamentalmente nuevo, un grupo de investigadores de la Universidad de Yale ha mostrado la segunda mitad de una fuerza óptica que podría hacer que los dispositivos fotónicos de silicio—como los que se usan en las comunicaciones de alta velocidad, las tarjetas de red, incluso el video y las televisiones por cable—sean más rápidos y tengan más capacidad.

Resultados como estos, mediante los que se muestra una forma novedosa de controlar la luz, “no se dan muy a menudo,” afirma Oskar Painter, investigador de microfotónica en Caltech y que no estuvo involucrado en el estudio. “Estamos siendo presionados para que demos más utilidad a los componentes ópticos,” añade Painter, y los resultados del grupo de Yale son “totalmente nuevos.”

En 2005, la comunidad científica jugó con la teoría de que unos pequeños haces de luz confinados en un chip de silicio podrían atraerse o repelerse al ser colocados a corta distancia, de forma similar a las fuerzas electromagnéticas entre cargas positivas y negativas. El año pasado, un grupo liderado por el profesor de la Universidad de Yale Hong Tang demostró por primera vez el lado “atractivo” de este tipo de fuerza óptica. Ahora, el grupo ha podido demostrar la segunda cara de la fuerza, la repulsión, que hace que sus efectos sean reversibles.

Previamente, afirma Mo Li, el autor principal del estudio publicado en Nature Photonics, con este tipo de fuerza se podía “tirar”, pero no se podía “empujar”. Hoy día los investigadores son capaces de ambas cosas. Este logro abre la posibilidad de utilizar la luz para manipular dicha luz en los aparatos microfotónicos, en vez de utilizar elementos mecánicos tales como microcalentadores o cristales ópticos, que consumen una gran cantidad de energía.

Aunque la fuerza es demasiado débil como para utilizarse a gran escala—dos punteros de láser no se podrían atraer o repeler entre sí, por ejemplo—la fuerza óptica funciona con fuerza a escala microscópica, lo que la hace ideal para el control completamente óptico de dispositivos nanomecánicos de velocidades ultra rápidas, según el profesor de matemáticas aplicadas del MIT Steven Johnson. En particular, Johnson señala la importancia de poder cambiar entre las fuerzas ópticas de atracción y repulsa, algo que no ha podido demostrarse a nivel experimental con anterioridad.

El aprovechamiento de la fuerza óptica debería permitir transferencias de datos más rápidas en aplicaciones como las telecomunicaciones con fibra óptica, en las que la información se puede codificar en múltiples longitudes de onda de luz y enviarse a gran velocidad a través de un único cable de fibra óptica, en un proceso denominado multiplexado de división de longitud de onda. A día de hoy, este proceso requiere que la señal óptica se convierta en señales eléctricas para su modulación o ampliación, y que después se vuelvan a convertir en señales ópticas y puedan seguir su recorrido. El uso de la luz para manipular la señal óptica podría eliminar la necesidad de estas paradas de conversión eléctrica a lo largo de las autopistas de fibra óptica. “Si fuéramos capaces de transferir la luz directamente a través de la luz,” afirma Li, “resultaría más económico y rápido.”

Otro problema relacionado con el multiplexado óptico actual es que los dispositivos que hacen que este proceso tenga lugar tienen un tamaño relativamente grande—ocupando un espacio considerable en las obleas de silicio—y tienen que incluir en su diseño una serie de microcalentadores estratégicamente colocados, que utilizan los cambios en la temperatura para afinar cada longitud de onda de luz de forma apropiada. Estos dispositivos son lentos y pueden provocar cruces. Existen otras técnicas de manipulación de luz que utilizan unos materiales de cristal especiales, y que responden a la luz de alta intensidad y cambian las propiedades materiales de los dispositivos fotónicos.

El enfoque del grupo de Yale demuestra la posibilidad de manipular un haz de luz mediante otro haz, directamente en el chip, sin necesidad de utilizar calentadores lentos y de gran tamaño o cristales externos. Y gracias a su capacidad para aprovechar fuerzas positivas y negativas, con ellos se puede multiplicar por dos de forma efectiva el rango de control de los circuitos fotónicos.

El grupo utilizó dos guías de onda idénticas—los equivalentes ópticos a los cables electrónicos, y que revisten los haces de luz que se mueven a través de ellos—y las suspendieron en una región de acoplamiento central para permitir que se movieran libremente bajo la influencia de la fuerza óptica. Después los investigadores enviaron un haz de rayo láser, dividido por la mitad, y forzaron a una de las mitades para que pasase por una vía más larga que la otra. Cuando las dos mitades de la luz se recombinaron, estaban fuera de fase puesto que habían recorrido vías de distintas longitudes. Los investigadores descubrieron que cuando los haces de luz estaban fuera de fase, las guías de onda se repelían entre sí, aunque cuando la luz estaba en fase, las guías de onda se atraían. Gracias a la posibilidad de cambiar la diferencia de fase entre los haces con simplemente reajustar la longitud de onda de la luz del láser de entrada, los investigadores dieron con un nuevo “pomo de puerta” para controlar la fuerza óptica mediante un solo y sencillo paso.

Aunque no transfirieron información, ni tampoco encendieron o apagaron interruptores, el grupo pudo demostrar con éxito la existencia de—y fácilmente cambiar entre ellos—los dos lados de la fuerza. Los siguientes pasos, afirma Tang, consistirán en construir circuitos más complejos y mejorar la eficiencia de la técnica. También intentarán hacer que la fuerza sea más fuerte. “Cuanto más grande sea la fuerza, mejor,” señala Tang.

Los beneficios del estudio de Yale, según Caltech Painter, es que los investigadores demostraron las fuerzas que se usan para provocar cambios, y que lo hicieron en un sistema de silicio. Eso resulta prometedor para la futura integración con estructuras microelectrónicas que ya estén procesadas en chips de silicio. Con la flexibilidad para controlar las fuerzas directamente en el chip, se añadiría una funcionalidad de suma importancia a la caja de herramientas de la microfotónica en silicio. El objetivo final sería crear interruptores y aparatos totalmente ópticos, tales como un bus optico que transfiera información a través de una CPU sin necesidad de ningún componente electrónico.