Fotónica no lineal en Silicio
Objetivos
Para superar el límite de ancho de banda asociado con la electrónica, la alternativa más prometedora es el procesado todo-óptico de luz, en el que un canal óptico puede encaminar o modular otro. Si esta funcionalidad se pudiera implementar en una tecnología basada en silicio y compatible CMOS, se podrían fabricar miles de dispositivos en un único paso de fabricación, lo cual reduciría dramáticamente los costes por dispositivo.
El silicio es una plataforma idónea para integrar funcionalidades no lineales, porque el alto contraste de índice permite un fuerte confinamiento de la luz en guías submicrométricas, por lo que los efectos no lineales tienen lugar a potencias moderadas.
El silicio tiene simetría de inversión, por lo que no hay efecto de segundo orden. Consecuentemente, las no linealidades son de tercer orden, lo que significa que la luz modifica el índice de refracción linealmente.
Los mecanismos más importantes que generan no linealidades de tercer orden son:
- Efectos térmicos (Escala: ms) Altas potencias pueden producir calentamiento, lo que modifica el índice de refracción. Este efecto debe ser tenido en cuenta en anillos resonantes de alto factor de calidad.
- Efectos de portadores (Escala: ns) Aunque el silicio es transparente en torno a 1.5 micras, a altas potencias parte de la luz puede absorberse por absorción de dos fotones (TPA). Los portadores generados en este proceso modifican el índice de refracción, y esta variación dura hasta que los portadores se recombinan, lo cual requiere un tiempo del orden de ns.
- Efecto Kerr (Escala: fs) Este efecto no lineal es inducido por la respuesta de los electrones ligados, por lo que puede considerarse instantáneo. Sin embargo, en guías de silicio este efecto se enmascara con el efecto de los portadores.
Nuestra estrategia es explorar estructuras y materiales donde el efecto Kerr sea dominante, o donde los efectos de los portadores puedan acelerarse, para conseguir efectos ultrarrápidos.
En particular, los nanocristales de silicio tienen un coeficiente no lineal asociado a electronies ligados que es mucho más alto que en silicio. Sin embargo, su índice de refracción es muy similar al de la sílice, lo que complica el alto confinamiento. Haciendo guías ranuradas (slot), se puede mantener el alto contraste de índice, pero manteniendo una buena parte de la energía del modo en la capa de bajo índice, como se muestra en la figura.
Por otro lado, se pueden utilizar cavidades resonantes como microanillos (como se muestra en la figura de abajo) o bien estructuras de onda lenta para aumentar el efecto no lineal.
