La transición de circuitos integrados electrónicos a circuitos ópticos más rápidos, más eficientes energéticamente y sin interferencias es uno de los objetivos más importantes en el desarrollo de tecnologías de fotones. Los circuitos integrados fotónicos (PIC) ya se utilizan hoy en día para transmitir y procesar señales en redes ópticas y sistemas de comunicación, incluidos, por ejemplo, multiplexores de E/S de señales ópticas y microchips con un láser semiconductor integrado, un modulador y un amplificador de luz. Sin embargo, hoy en día, los PIC se utilizan principalmente en combinación con circuitos electrónicos, mientras que los dispositivos puramente fotónicos aún no son competitivos.

Uno de los desafíos para crear PIC es la complejidad de la fabricación de varios dispositivos (acopladores de guía de onda, divisores de potencia, amplificadores, moduladores, láseres y detectores en un solo microchip), ya que requieren diferentes materiales. Los principales materiales utilizados en los PIC existentes son semiconductores (fosfato de indio, arseniuro de galio, silicio), cristales electroópticos (niobato de litio), así como varios tipos de vidrio.

Con el fin de aumentar la velocidad de los PIC para controlar el flujo de luz, los investigadores están buscando nuevos materiales con alta no linealidad óptica. Entre los materiales prometedores, se pueden nombrar, en particular, guías de microondas basadas en el material recientemente descubierto, el grafeno (una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor), en el que las concentraciones del portador de carga se pueden controlar de manera efectiva mediante bombeo óptico o voltaje de polarización aplicado.

Según Mikhail Bakunov, jefe del Departamento de Física General de la UNN, los trabajos teóricos y experimentales recientes muestran la posibilidad de cambios de concentración de portadores superrápidos (que involucran tiempos de varios campos de luz) en el grafeno, lo que abre posibilidades para manipular la amplitud y la frecuencia de la luz. Ondas (plasmones) dirigidas por la superficie de grafeno.

“El desarrollo de modelos físicos para la descripción de procesos electromagnéticos en grafeno no estacionario es de gran importancia práctica. Provoca un mayor interés por parte de los investigadores. Uno de los resultados de la investigación en 2018 fue la predicción en varios artículos del posibilidad de mejorar (aumentar la energía) de los plasmones cambiando la concentración del portador en el grafeno, que es ciertamente atractivo para crear nuevos dispositivos”, dice Mikhail Bakunov.

Alexei Maslov, profesor asociado del Departamento de Física General de la UNN, dice:

Nuestro estudio tiene como objetivo desarrollar los principios físicos del control de fotones ultrarrápidos en microchips integrados, es decir, mejorar el rendimiento de los microcircuitos y microchips utilizados en microelectrónica y nanoelectrónica.”

Investigadores del Departamento de Física General de la UNN han desarrollado una teoría para la conversión de ondas de luz que se propagan sobre la superficie del grafeno (una capa de átomos de carbono de un átomo de espesor), cuando la concentración de electrones en el grafeno cambia con el tiempo. En contraste con investigaciones anteriores, la interacción de los electrones con el campo de luz se toma en cuenta con precisión. Uno de los resultados del estudio fue descartar la posibilidad predicha previamente de amplificar las ondas de luz al cambiar la concentración de electrones. Por lo tanto, el trabajo de los científicos de la UNN da una nueva mirada a la dinámica de las ondas en las guías de microondas no estacionarias, contribuyendo así al desarrollo de los PIC.

Los resultados de la investigación han sido publicados en Optica .

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