Un nuevo chip aumenta la luz 100 veces con un consumo de energía ultra bajo

Investigadores de Stanford han desarrollado un amplificador óptico compacto que potencia drásticamente las señales luminosas con un consumo energético mínimo. Mediante el reciclaje de energía dentro de un resonador en bucle, el dispositivo logra una fuerte amplificación con un ruido mínimo y un amplio ancho de banda. Su eficiencia y tamaño reducido permiten que funcione con baterías y se integre en dispositivos electrónicos de consumo. Este avance podría posibilitar comunicaciones más rápidas y tecnologías ópticas más potentes.

La luz desempeña un papel fundamental en el mundo moderno, haciendo posible todo tipo de tecnologías de la información, desde televisores y satélites hasta cables de fibra óptica que transmiten internet a través de los océanos. Recientemente, físicos de Stanford descubrieron una forma de potenciar aún más la luz con un amplificador óptico que requiere poca energía sin pérdida de ancho de banda, todo ello en un dispositivo del tamaño de la yema de un dedo.

Al igual que los amplificadores de sonido, los amplificadores ópticos toman una señal luminosa y la intensifican. Los amplificadores ópticos pequeños actuales requieren mucha energía para funcionar. El nuevo amplificador óptico, descrito en detalle en la revista Nature, resuelve este problema mediante un método que, en esencia, recicla la energía utilizada para su funcionamiento.

“Hemos demostrado, por primera vez, un amplificador óptico de bajo consumo verdaderamente versátil, capaz de operar en todo el espectro óptico y con la eficiencia suficiente para integrarse en un chip”, afirmó Amir Safavi-Naeini , autor principal del estudio y profesor asociado de física en la Facultad de Humanidades y Ciencias de Stanford. “Esto significa que ahora podemos construir sistemas ópticos mucho más complejos de lo que era posible hasta ahora”.

El dispositivo desarrollado por Stanford logra una amplificación de aproximadamente 100 veces, es decir, aumenta la intensidad de una señal luminosa, utilizando tan solo unos cientos de milivatios de potencia, una fracción de lo que suelen requerir los amplificadores ópticos existentes de tamaño similar. Esta eficiencia, junto con su pequeño tamaño, permite que el amplificador pueda alimentarse con una batería y utilizarse en ordenadores portátiles y teléfonos inteligentes.

Menos potencia y menos ruido

Al igual que los amplificadores de sonido, los amplificadores ópticos tienden a añadir ruido no deseado al potenciar una señal. Los investigadores demostraron que este amplificador añade el mínimo ruido posible. Además, tiene un ancho de banda mayor que los amplificadores actuales, lo que significa que admite un espectro óptico más amplio. En conjunto, esto indica que tiene una mayor capacidad de transmisión de datos con menos interferencias.

Este tipo de amplificador óptico se alimenta de la energía almacenada en un haz de luz que actúa como una especie de "bomba", y su rendimiento depende de la intensidad de ese haz de luz.

“Al reciclar la energía de la bomba que alimenta este amplificador, lo hicimos más eficiente, y esto no afectó negativamente a sus otras propiedades”, dijo Devin Dean, coautor principal del estudio y estudiante de doctorado en el laboratorio de Safavi-Naeini.

El equipo logró esto mediante un diseño resonante, que, según Dean, ya se utiliza en láseres como un "truco de reciclaje de energía". Esto implica que la luz se duplique sobre sí misma, lo que aumenta su intensidad, como sucede cuando la luz queda atrapada entre dos espejos.

En este amplificador en particular, la luz de bombeo se genera dentro de un resonador; viaja en un bucle circular como una pista de carreras y aumenta su intensidad, lo que permite potenciar mejor el haz deseado. Este diseño proporciona mayor intensidad con menor potencia de entrada, lo que lo hace más eficiente.

Debido a su pequeño tamaño y a sus bajos requisitos energéticos, el amplificador óptico podría alimentarse con una batería y utilizarse en un dispositivo tan pequeño como un teléfono inteligente.

“Cuando se logra eso, las posibilidades son realmente muy amplias, ya que son tan pequeños que se pueden producir en masa y alimentar con baterías”, dijo Dean. “Podrían usarse potencialmente para comunicaciones de datos, biodetección, creación de nuevas fuentes de luz o un sinfín de aplicaciones diferentes”.