Los cristales fotónicos como base de los futuros circuitos de luz
La revolución de la electrónica del siglo XX se debió a la capacidad de controlar el transporte de electrones en los materiales semiconductores. Tradicionalmente, la estrategia para aumentar la velocidad de los microprocesadores electrónicos se ha basado en su miniaturización. Como este proceso pronto encontrará sus límites, se están estudiando estrategias alternativas. Una es sustituir la señal eléctrica por luz, que se mueve mucho más rápidamente, lo que se espera que desemboque en microprocesadores ópticos, de los cuales los cristales fotónicos serían un elemento fundamental.
En un material semiconductor (como el silicio), no se pueden encontrar electrones con energías en determinados rangos (llamados gaps), lo que les convierte en aislantes. La existencia de estos gaps es consecuencia del movimiento cuántico (ondulatorio) de los electrones y está íntimamente relacionada con la existencia de una variación periódica del potencial eléctrico creado por los átomos que forman el semiconductor. Introduciendo defectos en la estructura periódica del semiconductor se pueden crear regiones conductoras a voluntad, lo que permite controlar el flujo de electrones dentro del mismo.
Para la luz, las magnitudes análogas a energía y potencial eléctrico en el caso de electrones son, respectivamente, la frecuencia (que determina el color) y el índice de refracción del medio por el que los fotones fluyen. Para controlar la luz necesitamos disponer de un material que sea totalmente opaco a la luz (sin absorberla). Puede que un material tal no exista de forma natural, pero hace 15 años se propuso una forma de crearlos artificialmente: si construimos materiales (denominados cristales fotónicos) donde el índice de refracción varía periódicamente es posible crear gaps fotónicos, si hay suficiente contraste en el índice de refracción y adecuada disposición geométrica. Dentro de ese material no puede haber fotones con frecuencias contenidas en el gap, lo que lo convierte en el lugar más oscuro imaginable: una habitación oscura no tiene luz pero se puede iluminar, mientras que dentro de un material fotónico no se puede ni encender una cerilla, ya que allí la luz no puede existir. El primer cristal fotónico con gap se construyó en 1991, con uno para frecuencias en el régimen de microondas (con longitudes de onda del orden de centímetros) y desde ese momento el gran desafío tecnológico ha sido construir cristales fotónicos con gap para frecuencias ópticas. Para ello, los materiales han de estar estructurados en tamaños comparables a la longitud de onda de la luz (alrededor de media milésima de milímetro), lo que da idea de la enorme dificultad que conlleva su fabricación, si bien los grandes avances en nanotecnología de los últimos años están haciendo que este objetivo esté cada vez más cercano.
Una vez que tenemos un material aislante óptico, la manera de construir circuitos ópticos es crear defectos por donde la luz pueda fluir. Un ejemplo es un cristal fotónico formado por barras de silicio (índice de refracción igual a 3,5) inmersas en aire. Si se crea un canal en forma de L eliminando algunas barras de silicio, la luz, que no puede penetrar en el cristal, estará obligada a moverse por dentro de ese canal, girando 90 grados. El diámetro de esta guía de luz es de tan solo un 5% del de una fibra óptica convencional (además, ésta última sólo se puede curvar en radios miles de veces mayores que las guías de cristales fotónicos), lo que permite una fuerte miniaturización.
Si bien el futuro de los cristales fotónicos parece brillante, todavía existen algunos obstáculos a superar y nuestra investigación se ha enfocado a uno de estos escollos. El problema es que la señal luminosa tiene que ser transportada al interior del cristal fotónico mediante fibras ópticas convencionales, cuyas dimensiones transversales son muchísimo mayores. Ello hace que un simple empalme sea extremadamente ineficaz, pudiéndose perder en este proceso el 95 % de la luz que lleva la fibra óptica. En un reciente trabajo publicado en Physical Review B proponemos una posible solución. La idea es modificar la superficie del cristal fotónico adyacente a la entrada del conducto por el queremos que fluya la luz. Mediante un diseño adecuado se puede hacer que la luz que incide sobre esta zona en vez de ser reflejada (y perdida) sea reconvertida en una onda luminosa superficial que fluye por la superficie y entra finalmente en el conducto. Es decir, la superficie modificada actúa como una especie de embudo para la luz. Nuestros cálculos muestran que de esta forma se podría obtener una eficiencia de casi el 100% en el proceso de conexión entre una fibra óptica convencional y un cristal fotónico. Asimismo, hemos encontrado que si también se modifica la superficie de salida del conducto podemos conseguir que la luz que emerge del cristal fotónico lo haga en forma de un haz extremadamente colimado, como se muestra en la figura, lo que podría tener aplicaciones en litografía, conexión óptica, paneles y demás.
Aunque aún quedan varios problemas por resolver, la velocidad a la que se están encontrando soluciones nos hace ser optimistas y pensar que, en un futuro no muy lejano, dispondremos de microchips ópticos que consistirán en una compleja red de avenidas, cruces y bifurcaciones, por las que circularán pulsos electromagnéticos transportando información a la velocidad de la luz.
Francisco J. García Vidal es investigador en la Universidad Autónoma de Madrid (UAM). Han colaborado en este artículo Esteban Moreno (UAM) y Luis Martín Moreno (Universidad de Zaragoza).
