Brasileiros projetam componente para manipular luz com ondas sônicas

Com informações da Agência Fapesp - 31/03/2017

Simulação numérica das ondas acústicas propagando-se na borda dos microdiscos. A deformação representa a movimentação causada pela onda acústica, enquanto a escala de cores representa a intensidade do campo eletromagnético da luz nas superfícies do disco.
[Imagem: Yovanny Espinel et al.]

Comunicações por fibra óptica

Físicos brasileiros idealizaram um componente fotônico de silício que poderá viabilizar a interação entre ondas ópticas e mecânicas que vibram na faixa de dezenas de gigahertz (GHz).

Esta é uma área emergente, mas os avanços mais recentes já foram suficientes para que hoje se aposte que os efeitos optomecânicos podem revolucionar as telecomunicações, superando limitações que reduzem a quantidade de informações que se pode transmitir pelas fibras ópticas e outros "dutos" fotônicos, como as guias de onda.

Essa limitação na quantidade de informações é estabelecida por um efeito físico não linear conhecido como espalhamento Brillouin - descrito em 1922 pelo físico francês León Nicolas Brillouin (1889-1969) -, que estabelece que, ao passar por um meio transparente, como uma fibra óptica, os fótons da luz interagem com vibrações elásticas (fônons, ou ondas sônicas) de altíssimas frequências, da ordem de dezenas de GHz.

Dependendo da potência com que a luz é irradiada pela fibra óptica por uma fonte de laser, o campo eletromagnético da luz excita as ondas acústicas - mecânicas - que se propagam ao longo do material e espalham a luz em uma nova frequência, diferente da irradiada originalmente pelo laser, criando ruído que atrapalha a comunicação.

Discos e microcavidades

A fim de superar essa limitação para a propagação da luz, os físicos vêm trabalhando com pequenos discos de silício, com aproximadamente 10 micrômetros de diâmetro, que funcionam como microcavidades, que "aprisionam" a luz.

Em razão da reflexão que a luz sofre na borda do material, ela dá milhares de voltas na cavidade do disco durante alguns nanossegundos até se dissipar. Na prática isso é equivalente a retardar a luz, já que ela fica um tempo na cavidade. Nesse período, ela interage mais vezes com a matéria e amplia os efeitos optomecânicos, permitindo que eles sejam estudados e explorados para finalidades práticas.

São mecanismos assim que estão sendo usados para retardar, acelerar e bloquear a luz e para reforçar os sinais nas fibras ópticas.

Infelizmente, a despeito de possibilitar que a luz irradiada originalmente pelo laser seja propagada, essa microcavidade em forma de disco não permite que a luz de qualquer frequência seja ressonante - se propague por elas - inviabilizando a exploração do efeito de espalhamento Brillouin.

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O segredo do componente está na distância nanométrica entre os dois discos.
[Imagem: Y. A. V. Espinel et al. - 10.1038/srep43423]

Acoplamento de luz e som

Agora, Yovanny Espinel e seus colegas da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) idealizaram um disco duplo, um sistema composto por dois microdiscos de silício com uma cavidade cada um, acoplados lateralmente. Como a distância entre as duas cavidades é extremamente pequena - da ordem de centenas de nanômetros -, isso cria um efeito chamado separação de frequência.

Esse efeito possibilita fazer uma pequena separação entre a frequência da luz espalhada pela onda acústica, por um lado, e, por outro, a luz emitida pelo laser. Essa frequência é da ordem de 11 a 25 GHz - exatamente a mesma das ondas mecânicas -, o que garante que os milhares de fônons (quasipartículas elementares das ondas acústicas) gerados por segundo neste sistema (em taxas que variam de 50 a 90 KHz) possam se propagar nas cavidades.

Dessa forma, é possível observar e explorar o espalhamento Brillouin nesse sistema micrométrico. "Mostramos que, com um laser com uma potência da ordem de 1 miliwatt - que é equivalente à potência de um laser usado em um apontador para apresentações, por exemplo - seria possível observar o efeito de espalhamento Brillouin em um sistema com duas cavidades," afirmou o professor Gustavo Wiederhecker.

Como os discos simples já estão em uso em laboratórios de todo o mundo, e como eles são fabricados com a tecnologia padrão da indústria eletrônica, os experimentalistas não deverão ter grandes problemas em fabricar a estrutura projetada pelos físicos brasileiros e verificar seu funcionamento.

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