El grafeno ayuda a cambiar el paradigma de los circuitos integrados fotónicos no lineales
Se ha creado un chip fotónico capaz de generar luz de banda ancha en el infrarrojo medio (MIR) al tiempo que es bombeado por un láser MIR portátil de tamaño reducido, y este nuevo dispositivo podría dar lugar a numerosas aplicaciones, por ejemplo técnicas de diagnóstico médico no invasivas o técnicas de análisis óptico de la seguridad hídrica. Por el momento, para generar luz de banda ancha en un chip en el MIR se suelen necesitar láseres de bombeo que son aparatosos y, por tanto, poco prácticos de cara a una implantación amplia. El proyecto financiado con fondos europeos GRAPHENICS (Graphene-enabled on-chip supercontinuum light sources) ha servido para demostrar un ensanchamiento espectral de luz MIR en guías de onda fotónicas de silicio recubiertas de grafeno y bombeadas con un láser de fibra pequeño y construido con medios propios, cuya longitud de onda para la emisión de MIR que supera con creces las dos micras. Se trata de una gran innovación que sienta las bases para construir circuitos integrados fotónicos no lineales basados en grafeno sobre silicio y que allana el camino hacia el uso en la vida cotidiana de fuentes supercontinuas de luz en el MIR en un chip. La unión del láser de bombeo y el chip recubierto de grafeno La generación de luz con espectro de banda ancha, también llamada generación en supercontinuo, se basa en fenómenos ópticos no lineales como la modulación de la autofase (SPM). Una de las características definitorias de la SPM es que la onda luminosa altera verdaderamente las propiedades materiales de los medios que atraviesa. Esta alteración se ha observado en una gama amplia de materiales, pero es especialmente intensa en el grafeno, un material bidimensional, siempre que se aproveche adecuadamente. El ensanchamiento del espectro MIR fue logrado por el equipo de GRAPHENICS mediante SPM en un chip fotónico de silicio recubierto de grafeno. La luz de bombeo del proceso SPM provino de un novedoso láser de fibra pulsado MIR de tamaño reducido. Para resumir el enfoque de investigación seguido en GRAPHENICS, la coordinadora del proyecto, la profesora Nathalie Vermeulen, declaró: «Realizamos todos los pasos del ciclo de I+D relativo a los chips y efectuamos cálculos fundamentales de la no linealidad en relación con el grafeno aislado. Entretanto, modelizamos y diseñamos los dispositivos de guías de onda recubiertos de grafeno. Los trabajos de fabricación fueron el crecimiento del grafeno, la deposición, la creación de patrones y el dopaje directamente sobre las guías de onda fotónicas. En nuestros experimentos de comprobación caracterizamos los dispositivos lineal y no linealmente. Al mismo tiempo, construimos el láser de bombeo de fibra MIR compacto». Un descubrimiento totalmente novedoso fue que, a diferencia de lo que se suele creer, la no linealidad óptica de tercer orden del grafeno, en la que se apoya el proceso SPM, presenta un signo negativo y no positivo. En palabras de la profesora Vermeulen: «Por norma, los materiales que se utilizan para fabricar dispositivos ópticos no lineales en un chip presentan una no linealidad de tercer orden con signo positivo. Esta no linealidad puede potenciarse introduciendo materiales que presenten una no linealidad mayor de tercer orden con signo positivo. Se suponía que el grafeno reuniría estas condiciones, hasta que descubrimos que sus características de no linealidad poseen signo negativo». Ese descubrimiento puso de relieve los puntos débiles pero también las oportunidades de este material para fabricar chips fotónicos no lineales. En términos prácticos, para asegurarse de que mejoraba y no empeoraba el rendimiento general del dispositivo, los investigadores tuvieron que ajustar meticulosamente la posición y el área de la cobertura de grafeno. Un proyecto con gran potencial pero gran riesgo, con aplicaciones prácticas Según la profesora Vermeulen, el chip fotónico recubierto de grafeno y el láser de fibra MIR compacto que crearon en el proyecto resultan interesantes para varios usos. Así lo resumió: «Si se utiliza como fuente de bombeo para la generación en supercontinuo en MIR, el láser de fibra podría utilizarse para el seguimiento completamente óptico de la glucosa en pacientes diabéticos. También puede utilizarse como dispositivo autónomo y ofrece posibilidades interesantes, como la detección muy precisa de gases de efecto invernadero concretos». GRAPHENICS, un proyecto sobre tecnologías futuras y emergentes realizado por «jóvenes exploradores», contribuyó a desarrollar una labor de investigación fundamental e interdisciplinar que repercute en la sociedad, pero demás desarrollo las aptitudes de los futuros líderes de la ciencia y la tecnología en Europa. La labor realizada en GRAPHENICS prosigue con un examen sistemático del grafeno en combinación con otros tipos de guías de onda. Además, las posibilidades de aprovechamiento comercial de su innovador láser de fibra MIR.
Palabras clave
GRAPHENICS, en un chip, fuente de luz de banda ancha, infrarrojo medio, óptica, fotónica, silicio cubierto de grafeno, grafeno, guías de onda, supercontinuo, no linealidad
