Uma equipe de físicos da Universidade de Stanford anunciou recentemente que desenvolveu um novo amplificador óptico que tem apenas o tamanho da ponta de um dedo. Ele pode aumentar a intensidade dos sinais ópticos em cerca de 100 vezes, consumindo apenas algumas centenas de miliwatts de energia, mantendo baixo ruído e desempenho de largura de banda total, abrindo novas possibilidades para futuros chips fotônicos integrados e dispositivos alimentados por bateria. Resultados relevantes foram publicados na revista Nature.
Os amplificadores ópticos funcionam como amplificadores de potência em sistemas de áudio e são usados para aumentar a intensidade dos sinais ópticos. Eles são um elo fundamental em várias tecnologias baseadas em óptica, como comunicações por fibra óptica e comunicações por satélite. Atualmente, os amplificadores ópticos compactos comuns geralmente apresentam alto consumo de energia, alto ruído e limitações para serem integrados em chips. O plano proposto pela equipe de Stanford concentra-se em melhorar significativamente a eficiência por meio do projeto de “recuperação de energia” e reduzir o consumo de energia sem sacrificar a largura de banda e o desempenho de ruído.
Amir Safavi-Naeini, autor correspondente do artigo e professor associado de física na Escola de Humanidades e Ciências da Universidade de Stanford, disse que esta é a primeira vez que se consegue um novo tipo de amplificador óptico que é verdadeiramente versátil e de baixo consumo de energia. Pode cobrir uma ampla gama de bandas no espectro óptico e é eficiente o suficiente para ser integrado em um chip, fornecendo assim uma base para a construção de sistemas ópticos mais complexos.
De acordo com a equipe de pesquisa, o amplificador pode amplificar a intensidade do sinal óptico de entrada em cerca de 100 vezes, mantendo um tamanho compacto no nível do chip. Requer apenas centenas de miliwatts de energia, reduzindo significativamente o consumo de energia em comparação com dispositivos semelhantes. Devido ao seu pequeno tamanho e baixo consumo de energia, espera-se que o dispositivo seja alimentado diretamente por baterias e incorporado em terminais portáteis, como laptops e smartphones. Durante o processo de amplificação do sinal, o novo dispositivo também pode suprimir eficazmente ruído adicional e fornecer uma largura de banda operacional mais ampla do que os amplificadores compactos existentes, suportando uma gama mais ampla de frequências ópticas, aumentando a capacidade de dados e reduzindo a interferência.
O núcleo deste amplificador reside na recuperação de energia e utilização da "bomba de luz". No design tradicional, a luz da bomba serve apenas como meio de acionamento e sua eficiência de utilização de energia é limitada. No entanto, a equipe de Stanford usa uma estrutura ressonante para circular a luz da bomba dentro do sistema e melhorá-la continuamente, obtendo assim maior intensidade de campo com menor potência de entrada. Devin Dean, co-autor do artigo e estudante de doutorado no grupo de pesquisa Safavi-Naeini, apontou que ao reciclar a energia da bomba, a equipe alcançou uma melhoria na eficiência do amplificador sem sacrificar outros indicadores-chave de desempenho.
Especificamente, os pesquisadores usaram uma estrutura semelhante a uma cavidade ressonante de laser no dispositivo para “refletir a luz de volta para si mesma”, fazendo com que ela viajasse repetidamente para frente e para trás na cavidade e gradualmente acumulasse intensidade. Neste projeto, a luz da bomba circula em um ressonador de anel em forma de "pista de corrida" e aumenta continuamente ao longo do circuito fechado para fornecer um ganho mais eficiente para o sinal alvo. Esta estrutura de “pista óptica” permite que o sistema atinja maior intensidade de bomba com menor energia de entrada, melhorando significativamente a eficiência energética geral.
Graças ao consumo reduzido de energia e ao encolhimento no nível do chip, espera-se que este amplificador seja implementado em uma variedade de cenários de aplicação, incluindo comunicações de dados de alta velocidade, biosensor e desenvolvimento de novas fontes de luz. Dean disse que, uma vez que tal dispositivo possa ser produzido em massa e alimentado por baterias, seu espaço de aplicação será muito amplo porque é pequeno o suficiente e pode ser implantado em lotes em vários dispositivos terminais.
O artigo de pesquisa é intitulado "Amplificação óptica integrada de baixa potência por meio de ressonância de segundo harmônico" e os autores são da Universidade de Stanford e de instituições parceiras. O trabalho de pesquisa foi financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA (DARPA), pela NTT Research do Japão e pela Fundação Nacional de Ciência dos EUA.
Compilado de /ScitechDaily