UG: TU CONECTE CON LA CIENCIA

Láseres del tamaño de una pestaña

Dr. Héctor Mauricio Reynoso de la Cruz, Dr. Erasto Ortiz Ricardo, Dr. Gerardo Gutiérrez Juárez, Dr. Rigoberto Castro Beltrán

División de Ciencias e Ingenierías, Universidad de Guanajuato e

Instituto de Ciencias Nucleares, Universidad Nacional Autónoma de México

La mayor parte del desarrollo tecnológico del cual disfrutamos actualmente (computadoras, celulares, etc.) evolucionó rápidamente a partir de la fabricación del primer microprocesador haciéndolos cada vez más pequeños, baratos y aumentando la capacidad de procesamiento.

En la actualidad se ha alcanzado un límite físico en la cantidad de procesadores que se pueden colocar en un chip con lo cual no se puede seguir aumentando indefinidamente la capacidad de procesamiento, además de que se presentan problemas de sobrecalentamiento y con este, el colapso en las velocidades de procesamiento y comunicación. Una alternativa a estas limitaciones está en el diseño, fabricación e implementación de tecnologías basadas en el uso de (luz) fotones, a lo cual nos referiremos como fotónica.

El uso de nuevos dispositivos fotónicos capaces de desarrollar funciones análogas a las electrónicas como: transceptores ópticos que operen a Gb/s, configurados y ordenados en un solo canal óptico para su multiplexación por procesos de división de longitud de onda (frecuencia de la luz), podrán hacer frente a la demanda de los grandes centros de datos y sistemas de computación de alto rendimiento al contar con interconexiones ópticas de un gran ancho de banda cada uno.

Estas nuevas tecnologías fotónicas no presentan limitaciones de velocidad de procesamiento y una gran ventaja es que la energía necesaria para operarlos es de órdenes de magnitud mucho menor, en comparación con los dispositivos electrónicos. Así como en los aparatos electrónicos, toda esta nueva tecnología debe ser implementada en forma de chips: chips-fotónicos que sean compatibles con la tecnología que se utiliza para fabricar los electrónicos.

Ésto aseguraría el crecimiento tecnológico de los nuevos dispositivos basados en luz. En un caso ideal, esta transición tecnológica puede tener varias etapas y no verse como una lucha comercial, por ejemplo, se pueden primero desarrollar tecnologías híbridas, ya que el uso del mismo material para electrónica y fotónica en un solo chip-híbrido podría aumentar el rendimiento y reducir el consumo de energía de los chips integrados existentes.

En términos de chips, se requieren diseños novedosos y con esto, avances tecnológicos significativos de los elementos individuales que conforman un chip (específicamente para aplicaciones en telecomunicaciones), dispositivos como fuentes de luz coherente, transceptores, amplificadores, demultiplexores, entre otros.

En el laboratorio de Biofotoacústica de la División de Ciencias e Ingenierías, en conjunto con el Instituto de Ciencias Nucleares de la UNAM, se han diseñado nuevas estrategias de fabricación de fuentes de luz basados en materiales orgánicos con dimensiones geométricas iguales o menores a una pestaña humana.

La impresión por láser de estructuras en forma de cilindros, con dimensiones geométricas de [50-300] µm de diámetro por [200-500] µm de altura (1 µm equivale a 0.000001 m), son actualmente fabricadas en nuestros laboratorios con fines de desarrollado de fuentes láser a escalas muy pequeñas. Un sistema láser convencional está conformado de una fuente de excitación, un medio de ganancia y una cavidad.

Las estructuras cilíndricas mencionadas, pueden ser vistas como una cavidad óptica, las cuales al ser superficialmente recubiertas con un medio fluorescente (medio de ganancia óptica) se cumplen dos de los requisitos mencionados para contar con un sistema láser. Al excitar ópticamente nuestra micro-cavidad cilíndrica, la emisión del medio de ganancia (fluorescencia) queda “atrapada” en la cavidad (por una propiedad óptica conocida como reflexión total interna) y resuena dentro de esta (como modos de Galería o tipo Fabry-Pérot).

Esta nueva condición resonante amplifica de forma muy selectiva ciertas regiones de la emisión logrando con ello, que nuestro sistema emita luz con propiedades similares a un sistema láser convencional.

En nuestros laboratorios, tenemos la posibilidad de dopar con diferentes materiales fluorescentes las nuevas micro-cavidades, esto, con la finalidad de tener un espectro muy amplio de emisiones que son tecnológicamente muy difíciles de conseguir con tecnologías de semiconductores, por ejemplo.

Otra ventaja es que nuestras plataformas de impresión nos permiten imprimir estructuras en forma de cubos, pirámides, guías simples y estructuras repetidas de cualquiera de las geometrías descritas. Esto trae oportunidades de direccionalidad únicas, ya que no solo diseñamos cavidades a escalas de una pestaña humana si no que tenemos enormes posibilidades de controlar la dirección de su emisión a través de nuevos diseños geométricos.

De esta forma nuestro laboratorio, en conjunto con nuestras colaboraciones nos encaminan hacia el desarrollo de nuevas plataformas láser que pueden potencialmente ser aplicadas en los chips-fotónicos descritos arriba.

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