La conmutación óptica multicolor es un fenómeno importante con aplicaciones potenciales en campos como las telecomunicaciones y la computación óptica. Sin embargo, la mayoría de los materiales suelen presentar una no linealidad óptica monocromática bajo una iluminación láser intensa, lo que limita su uso en sistemas que requieren capacidades de conmutación multicolor o multibanda. Actualmente, la mayoría de los conmutadores ópticos se basan en sistemas microelectromecánicos, que requieren tensión o corriente eléctrica para funcionar, lo que da lugar a tiempos de respuesta lentos.

Para abordar esta laguna, un grupo de investigadores, dirigido por el profesor Junjun Jia, de la Facultad de Ciencia e Ingeniería de la Universidad de Waseda (Japón), en colaboración con el profesor Hui Ye y el Dr. Hossam A. Almossalami, de la Facultad de Ciencias Ópticas e Ingeniería de la Universidad de Zhejiang (China), la profesora Naoomi Yamada, del Departamento de Química Aplicada de la Universidad de Chubu (Japón), y el Dr. Takashi Yagi, del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada de Japón, investigaron el fenómeno de la conmutación óptica multivalle en películas de germanio (Ge). Se centraron en cómo la radiación láser intensa induce una conmutación óptica ultrarrápida en múltiples longitudes de onda en el Ge, un semiconductor multivalle. Su estudio demostró la eficiencia de la conmutación óptica multicolor utilizando un láser de pulso monocromático, lo que podría superar las limitaciones de las no linealidades ópticas monocromáticas tradicionales. Su investigación se publicó en Physical Review Applied el 24 de febrero de 2025.
Al irradiar Ge con un láser de pulso intenso, el equipo logró una conmutación ultrarrápida entre transparencia y opacidad en un amplio rango de longitudes de onda. Las mediciones de transmisión transitoria resuelta en el tiempo con femtosegundos revelaron una conmutación óptica ultrarrápida tanto en los valles Γ como L, debido a la existencia de dispersión intravalle e intervalle. «Nuestros resultados confirman que la irradiación láser intensa en películas de Ge permite la conmutación óptica ultrarrápida en múltiples longitudes de onda, lo que ofrece la posibilidad de controlar la transparencia de un material y abre nuevas puertas para posibles aplicaciones en comunicaciones ópticas, computación óptica y más allá», explica el profesor Jia.
Se ha descubierto que esta conmutación óptica multivalle depende en gran medida de la estructura de bandas del Ge. Las mediciones experimentales sugieren que la señal transitoria depende en gran medida de la región específica de la estructura de bandas implicada. Por ejemplo, los espectros de transmisión transitoria revelan una energía de separación de 240 meV en el punto de alta simetría L. «La selección cuidadosa de las energías de sondeo, basada en la dispersión de bandas calculada con la función HSE06 y los efectos de acoplamiento espín-órbita, nos permitió capturar con precisión la ocupación electrónica transitoria tanto en los valles Γ como en los L», afirma el profesor Jia. Esto permite extraer los tiempos de dispersión entre valles y dentro de los valles en materiales multivalles a partir de mediciones transitorias.

En general, este estudio destaca el importante potencial del Ge como material clave para la conmutación óptica avanzada, con aplicaciones prometedoras en la transmisión de datos y la computación de alta velocidad. Al permitir el control de la transparencia en múltiples longitudes de onda utilizando un láser de pulso monocromático, se abren interesantes posibilidades para el desarrollo de conmutadores ópticos ultrarrápidos. «Se espera que este hallazgo responda a la creciente demanda de mayores velocidades de datos y seguridad ante el aumento del tráfico de Internet, lo que supone un paso adelante en el avance de los dispositivos de conmutación óptica ultrarrápida», concluye el profesor Jia.

Referencia
Autores: Junjun Jia1, Hossam A. Almossalami2, Hui Ye2, Naoomi Yamada3, Takashi Yagi4
Título del artículo original:Multivalley optical switching in germanium

Revista: Physical Review Applied

DOI: 10.1103/PhysRevApplied.23.024060
Fecha de publicación del artículo: 24 de febrero de 2025

Afiliaciones
1Centro Global de Ciencia e Ingeniería (GCSE), Facultad de Ciencia e Ingeniería, Universidad de Waseda, Japón
2Facultad de Ciencia Óptica e Ingeniería, Universidad de Zhejiang, China
3Departamento de Química Aplicada, Universidad de Chubu, Japón
4Instituto Nacional de Metrología de Japón (NMIJ), Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología Industrial Avanzada (AIST), Japón

Acerca del profesor Junjun Jia
Junjun Jia es profesor de la Facultad de Ciencias e Ingeniería de la Universidad de Waseda, Japón. Obtuvo su doctorado en la Universidad de Tokio en 2011. Su investigación se centra en el diseño y la fabricación de materiales funcionales en estado sólido, así como en el desarrollo de dispositivos en estado sólido, incluidos elementos circuitales térmicos en estado sólido, dispositivos basados en ondas acústicas y dispositivos electrónicos en desequilibrio. Sus intereses incluyen la óptica no lineal, la física de no equilibrio y la estructura electrónica/fonónica excitada en materiales sólidos. El Dr. Jia ha publicado numerosos artículos en revistas revisadas por pares, como Advanced Functional Materials, Physical Review B y Physical Review Applied. Ha recibido varios premios, entre ellos el Waseda e-Teaching Award en 2022. Es miembro de varios comités, entre ellos la Sociedad de Investigación de Materiales de Japón.