Los científicos desarrollan una tecnología cuántica de banda ancha

27 de julio de 2023

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por la Academia China de Ciencias

Desde la concepción del peine de frecuencia láser a finales de los años 1990, ha revolucionado la medición precisa de la frecuencia y el tiempo. Más allá de su uso inicial en relojes ópticos y espectroscopia de precisión, los peines de frecuencia óptica (OFC) han mostrado un gran potencial para diversas aplicaciones, incluida la espectroscopia ultravioleta e infrarroja (IR), la teledetección, la síntesis de frecuencia óptica y las comunicaciones ópticas de alta velocidad.

Sin embargo, los fuertes pulsos ópticos entregados por un OFC de amplitud modulada (AM) no son favorables para los sistemas densos de multiplexación por división de longitud de onda (DWDM) en los que se implementan muchos moduladores de microanillos. Esto se debe a que la alta potencia instantánea de los pulsos ópticos daría como resultado fuertes no linealidades térmicas.

Por otro lado, la formación de una OFC de banda ancha depende de una ingeniería cuidadosa de la dispersión de velocidad de grupo (GVD) de la guía de ondas, lo cual es un desafío para plataformas donde la GVD está determinada principalmente por el material. Por lo tanto, el tamaño, el peso, el consumo de energía y el costo (SWaP-C) del sistema de los OFC deben mejorarse para el uso de los OFC en la industria.

En un nuevo artículo publicado en Light: Science & Applications, un equipo de científicos, dirigido por el profesor John Bowers del Instituto de Eficiencia Energética de la Universidad de California, Santa Bárbara, EE. UU., ha desarrollado un peine de frecuencia modulada (FM) basado en Láser avanzado de puntos cuánticos (QD). Un diseño adecuado de la cavidad láser permite un ancho de banda óptico récord de 3 dB de 2,2 THz en la banda O de telecomunicaciones.

El espacio entre canales es de hasta 60 GHz, lo que resulta beneficioso para eliminar la diafonía de canales en la transmisión de datos. Más interesante aún, este peine FM de onda casi continua no emite pulsos ópticos fuertes, lo cual es favorable para un sistema DWDM integrado.

Aprovechando el láser QD, el peine FM de banda ancha se genera a partir de una cavidad láser de 1,35 mm de largo y 2,6 um de ancho, junto con una alta eficiencia de conexión a la pared de más del 12 %. En comparación con otras tecnologías OFC integradas, el peine FM basado en láser QD exhibe un SWaP-C superior, que es una solución que están buscando tanto el mundo académico como la industria.

Las notables propiedades del material de QD lo convierten en una plataforma prometedora para la generación de peines FM. La dinámica de ganancia ultrarrápida permite la no linealidad gigante de Kerr y la mezcla de cuatro ondas, lo que hace que el láser QD sea un mejor candidato para la generación de peine FM en la banda de comunicación óptica que los láseres de diodo de pozo cuántico convencionales.

Es importante destacar que este enfoque informado nos permite mejorar el ancho de banda óptico sin la necesidad de una ingeniería cuidadosa de la dispersión de la guía de ondas. Este logro se logra mediante la ingeniería de no linealidad de Kerr, que puede controlarse simplemente mediante un voltaje aplicado a la sección absorbente saturable del láser. Como tal, este enfoque reduce los desafíos en el proceso de fabricación. Estos científicos comentan sus logros en este trabajo:

"Esta es una evolución del pensamiento. El primer láser de modo bloqueado se demostró en 1963, y desde entonces se han logrado enormes avances. Solía ​​pensar que un láser de modo bloqueado debía emitir fuertes pulsos ópticos debido a su AM (amplitud- modulación) naturaleza. Sin embargo, demostramos que no tiene por qué ser así. El láser de modo bloqueado FM (frecuencia modulada) está experimentando un renacimiento. Es su naturaleza ofrecer un espectro de banda ancha y de superficie plana junto con una casi- emisión de onda continua."

"A pesar de la demostración de peines FM en láseres de cascada cuántica de infrarrojo medio, la naturaleza FM de los láseres bloqueados en modo QD del infrarrojo cercano no se explotó por completo. Estamos tratando de comprenderlo y aplicar el láser bloqueado en modo FM a alta velocidad. PIC (circuitos integrados fotónicos) para centros de datos", agregaron.

"La técnica presentada aborda los problemas que encuentra un OFC en los PIC y es compatible con la industria CMOS madura. Nuestros hallazgos brindan información novedosa sobre la mejora de los láseres con modo FM bloqueado para PIC. Este avance podría abrir un nuevo lugar para el próximo generación de PIC para comunicación 5G/6G, inteligencia artificial y conducción autónoma", afirman los científicos.

Más información: Bozhang Dong et al, Láser de peine de banda ancha con modulación de frecuencia de puntos cuánticos, Light: Science & Applications (2023). DOI: 10.1038/s41377-023-01225-z

Información de la revista:Luz: ciencia y aplicaciones

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