Los cristales fot¨®nicos como base de los futuros circuitos de luz

La revoluci¨®n de la electr¨®nica del siglo XX se debi¨® a la capacidad de controlar el transporte de electrones en los materiales semiconductores. Tradicionalmente, la estrategia para aumentar la velocidad de los microprocesadores electr¨®nicos se ha basado en su miniaturizaci¨®n. Como este proceso pronto encontrar¨¢ sus l¨ªmites, se est¨¢n estudiando estrategias alternativas. Una es sustituir la se?al el¨¦ctrica por luz, que se mueve mucho m¨¢s r¨¢pidamente, lo que se espera que desemboque en microprocesadores ¨®pticos, de los cuales los cristales fot¨®nicos ser¨ªan un elemento fundamental.

En un material semiconductor (como el silicio), no se pueden encontrar electrones con energ¨ªas en determinados rangos (llamados gaps), lo que les convierte en aislantes. La existencia de estos gaps es consecuencia del movimiento cu¨¢ntico (ondulatorio) de los electrones y est¨¢ ¨ªntimamente relacionada con la existencia de una variaci¨®n peri¨®dica del potencial el¨¦ctrico creado por los ¨¢tomos que forman el semiconductor. Introduciendo defectos en la estructura peri¨®dica 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 an¨¢logas a energ¨ªa y potencial el¨¦ctrico en el caso de electrones son, respectivamente, la frecuencia (que determina el color) y el ¨ªndice de refracci¨®n 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 a?os se propuso una forma de crearlos artificialmente: si construimos materiales (denominados cristales fot¨®nicos) donde el ¨ªndice de refracci¨®n var¨ªa peri¨®dicamente es posible crear gaps fot¨®nicos, si hay suficiente contraste en el ¨ªndice de refracci¨®n y adecuada disposici¨®n geom¨¦trica. Dentro de ese material no puede haber fotones con frecuencias contenidas en el gap, lo que lo convierte en el lugar m¨¢s oscuro imaginable: una habitaci¨®n oscura no tiene luz pero se puede iluminar, mientras que dentro de un material fot¨®nico no se puede ni encender una cerilla, ya que all¨ª la luz no puede existir. El primer cristal fot¨®nico con gap se construy¨® en 1991, con uno para frecuencias en el r¨¦gimen de microondas (con longitudes de onda del orden de cent¨ªmetros) y desde ese momento el gran desaf¨ªo tecnol¨®gico ha sido construir cristales fot¨®nicos con gap para frecuencias ¨®pticas. Para ello, los materiales han de estar estructurados en tama?os comparables a la longitud de onda de la luz (alrededor de media mil¨¦sima de mil¨ªmetro), lo que da idea de la enorme dificultad que conlleva su fabricaci¨®n, si bien los grandes avances en nanotecnolog¨ªa de los ¨²ltimos a?os est¨¢n haciendo que este objetivo est¨¦ cada vez m¨¢s cercano.

Una vez que tenemos un material aislante ¨®ptico, la manera de construir circuitos ¨®pticos es crear defectos por donde la luz pueda fluir. Un ejemplo es un cristal fot¨®nico formado por barras de silicio (¨ªndice de refracci¨®n 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, estar¨¢ obligada a moverse por dentro de ese canal, girando 90 grados. El di¨¢metro de esta gu¨ªa de luz es de tan solo un 5% del de una fibra ¨®ptica convencional (adem¨¢s, ¨¦sta ¨²ltima s¨®lo se puede curvar en radios miles de veces mayores que las gu¨ªas de cristales fot¨®nicos), lo que permite una fuerte miniaturizaci¨®n.

Si bien el futuro de los cristales fot¨®nicos parece brillante, todav¨ªa existen algunos obst¨¢culos a superar y nuestra investigaci¨®n se ha enfocado a uno de estos escollos. El problema es que la se?al luminosa tiene que ser transportada al interior del cristal fot¨®nico mediante fibras ¨®pticas convencionales, cuyas dimensiones transversales son much¨ªsimo mayores. Ello hace que un simple empalme sea extremadamente ineficaz, pudi¨¦ndose perder en este proceso el 95 % de la luz que lleva la fibra ¨®ptica. En un reciente trabajo publicado en Physical Review B proponemos una posible soluci¨®n. La idea es modificar la superficie del cristal fot¨®nico adyacente a la entrada del conducto por el queremos que fluya la luz. Mediante un dise?o 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 act¨²a como una especie de embudo para la luz. Nuestros c¨¢lculos muestran que de esta forma se podr¨ªa obtener una eficiencia de casi el 100% en el proceso de conexi¨®n entre una fibra ¨®ptica convencional y un cristal fot¨®nico. Asimismo, hemos encontrado que si tambi¨¦n se modifica la superficie de salida del conducto podemos conseguir que la luz que emerge del cristal fot¨®nico lo haga en forma de un haz extremadamente colimado, como se muestra en la figura, lo que podr¨ªa tener aplicaciones en litograf¨ªa, conexi¨®n ¨®ptica, paneles y dem¨¢s.

Aunque a¨²n quedan varios problemas por resolver, la velocidad a la que se est¨¢n encontrando soluciones nos hace ser optimistas y pensar que, en un futuro no muy lejano, dispondremos de microchips ¨®pticos que consistir¨¢n en una compleja red de avenidas, cruces y bifurcaciones, por las que circular¨¢n pulsos electromagn¨¦ticos transportando informaci¨®n a la velocidad de la luz.

Francisco J. Garc¨ªa Vidal es investigador en la Universidad Aut¨®noma de Madrid (UAM). Han colaborado en este art¨ªculo Esteban Moreno (UAM) y Luis Mart¨ªn Moreno (Universidad de Zaragoza).