Dirigido por el Instituto Tecnológico de Massachussets (MIT), un grupo de investigadores internacionales han demostrado un dispositivo inalámbrico programable que puede controlar la luz, por ejemplo, enfocando un haz en una dirección específica o manipulando la intensidad de la luz, y convertirlo en órdenes de magnitud más rápido que los dispositivos comerciales. Conocido como modulador de luz espacial, el dispositivo podría usarse para crear sensores LIDAR (detección y rango de luz) súper rápidos, que podrían generar imágenes de una escena aproximadamente un millón de veces más rápido que los sistemas mecánicos existentes.
Un modulador de luz espacial (SLM) es un dispositivo que manipula la luz controlando sus propiedades de emisión. Al igual que un retroproyector o una pantalla de computadora. Un SLM transforma un haz de luz que pasa, enfocándolo en una dirección o refractándolo en muchos lugares para la formación de imágenes. Dentro del SLM, una matriz bidimensional de moduladores ópticos controla la luz.
Para controlar con precisión la luz a altas velocidades, el dispositivo necesita una matriz extremadamente densa de controladores a nanoescala. Los investigadores utilizaron una serie de microcavidades de cristal fotónico para lograr este objetivo. Estos resonadores de cristal fotónico permiten que la luz se almacene, manipule y emita de forma controlada en la escala de longitud de onda.
Cuando la luz entra en una cavidad, se mantiene durante aproximadamente un nanosegundo y rebota más de 100.000 veces antes de filtrarse al espacio. Al variar la reflectividad de una cavidad, los investigadores pueden controlar cómo se escapa la luz. El control simultáneo de la matriz modula un campo de luz completo, por lo que se puede dirigir un haz de luz de forma rápida y precisa.
Para lograr este objetivo, los científicos desarrollaron un nuevo algoritmo para diseñar dispositivos de cristal fotónico que transforman la luz en un haz estrecho a medida que escapa de cada cavidad.
Desarrollo de la microcavidad para dirigir la luz
El equipo usó una pantalla micro-LED para controlar el SLM. Los píxeles del LED se alinean con los cristales fotónicos en el chip de silicio, por lo que encender un LED sintoniza una sola microcavidad. Cuando un láser golpea esa microcavidad activada, la cavidad responde de manera diferente al láser en función de la luz del LED.
Para su fabricación, los investigadores se asociaron con el Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea para desarrollar un proceso de fabricación en masa de alta precisión que estampa miles de millones de cavidades en una oblea de silicio de 12 pulgadas. Posteriormente, incorporaron un paso de posprocesamiento para garantizar que todas las microcavidades funcionen en la misma longitud de onda.
En este proceso de ‘recorte’, los investigadores dirigen un láser que calienta el silicio a más de 1.000ºC sobre las microcavidades, creando dióxido de silicio o vidrio. Asimismo, desarrollaron un sistema que dispara todas las cavidades con el mismo láser a la vez, agregando una capa de vidrio que alinea perfectamente las resonancias, es decir, las frecuencias naturales a las que vibran las cavidades.
El dispositivo demostró un control casi perfecto de un campo óptico con un ‘ancho de banda espaciotemporal’ conjunto 10 veces mayor que el de los SLM existentes. Ser capaz de controlar con precisión un gran ancho de banda de luz podría habilitar dispositivos que pueden transportar cantidades masivas de información extremadamente rápido, como los sistemas de comunicaciones de alto rendimiento.