Codificación de datos mediante cristales optomecánicos y caos

La luz es esencial para las comunicaciones modernas basadas en la fibra de vidrio. Los cristales optomecánicos se diseñan a escala nanométrica para confinar fotones y unidades cuánticas de movimiento mecánico (fonones) en un mismo espacio físico. Estas estructuras todavía se estudian en entornos experimentales complejos pero podrían cambiar el futuro de las telecomunicaciones.

La interacción entre fotones y movimiento mecánico está mediada por fuerzas ópticas que, al interactuar con un cristal optomecánico, producen un haz de luz fuertemente modulado. En los estudios de optomecánica las no linealidades ópticas suelen considerarse perjudiciales y se procura minimizar sus efectos.

Los investigadores del Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2) sugieren usarlas para transportar información codificada. Iniciativas como PHENOMEN, un proyecto europeo liderado por este instituto, podrían establecer las bases de una nueva tecnología de la información que combine fonónica, fotónica y señales electrónicas de radiofrecuencia.

Ahora miembros del grupo de Nanoestructuras Fonónicas y Fotónicas, liderado por la profesora ICREA Clivia Sotomayor-Torres en el ICN2, han publicado en Nature Communications un artículo que presenta las complejas dinámicas no lineales observadas en un cristal optomecánico de silicio.

Daniel Navarro-Urrios es el primer autor de este trabajo, que describe cómo un láser de onda continua y baja potencia se ve alterado tras atravesar una de esas estructuras que combinan las propiedades ópticas y mecánicas de la luz y la materia. El artículo incluye a autores del departamento de Física de la Universidad de La Laguna y el Centro de Tecnología Nanofotónica de la Universidad Politécnica de Valencia.

El estudio reporta la dinámica no lineal de un sistema de cavidades optomecánicas. La estabilidad de la intensidad del láser se vio afectada por factores como efectos termo-ópticos, la dispersión de portadores libres y el acople optomecánico.

Dominar el efecto caótico

El número de fotones almacenados en una cavidad afecta y se ve afectado por estos factores creando un efecto caótico que los investigadores fueron capaces de dominar cambiando sutilmente los parámetros de excitación del láser. Los autores demuestran que pueden controlar de forma precisa la aparición de un conjunto heterogéneo de cambios dinámicos.

Los resultados establecen las bases de una tecnología de bajo coste que permitiría alcanzar grandes niveles de seguridad en comunicaciones ópticas mediante la integración de sistemas criptográficos optomecánicos basados en el caos. Mediante el uso de cristales optomecánicos es posible introducir cambios dinámicos en un haz de luz que viaja a través de fibra óptica.

Las condiciones originales de la luz se podrían restablecer si se dispone de los parámetros de excitación del láser y del cristal optomecánico que introdujo los cambios dinámicos. Por lo tanto, incorporando a la fibra óptica dos chips integrados que contengan cavidades optomecánicas equivalentes sería posible proteger información añadiendo caos en el haz de luz en el punto de emisión y eliminándolo en el punto de recepción. 

Referencia bibliográfica:

Daniel Navarro-Urrios, Néstor E. Capuj, Martín F. Colombano, P. David García, Marianna Sledzinska, Francesc Alzina, Amadeu Griol, Alejandro Martínez & Clivia M. Sotomayor-Torres. "Nonlinear dynamics and chaos in an optomechanical beam". Nature Communications 8, 14965 (2017); doi:10.1038/ncomms14965. https://www.nature.com/articles/ncomms14965