Eletrônica

Efeitos optomecânicos podem revolucionar telecomunicações

Com informações da Agência Fapesp - 22/10/2014

As microcavidades ópticas são discos de cerca de 10 micrômetros (0,01 milímetro) de diâmetro, suportados em pedestais de apenas 1 micrômetro.
[Imagem: Thiago Alegre]

Espalhamento Brillouin

No campo das telecomunicações por fibra óptica, um dos fatores que limitam a quantidade de informações possíveis de serem transmitidas por um determinado canal é um efeito físico não linear conhecido como espalhamento Brillouin.

O fenômeno ocorre à medida que se aumenta a potência luminosa. O campo elétrico da luz incidente cria uma espécie de onda acústica que se propaga no material e espalha a luz.

Esse efeito é especialmente danoso em links de comunicação de longa distância (aproximadamente 20 quilômetros), onde alguns miliwatts (mW) de potência são suficientes para que os fótons comecem a retornar à fonte emissora em vez de seguirem até o receptor.

Pesquisadores do Instituto de Física da Unicamp (Universidade Estadual de Campinas) estão tentando compreender como exatamente ocorre esse e outros efeitos optomecânicos, resultantes da interação da luz com movimentos mecânicos, em microcavidades ópticas com o objetivo de, no futuro, conseguir manipulá-los.

Experimentos similares têm permitido, por exemplo, criar diodos ópticos, bits de luz, "balanças" para vírus, contadores de nanopartículas e vários outros.

Conversão óptica de dados

"Entre as implicações práticas dos sistemas optomecânicos estão a criação de diminutos dispositivos como moduladores de luz, chaves, memórias ópticas e lasers Brillouin, que podem ser usados em sistemas de telecomunicação de forma integrada. Seria uma revolução comparável à que ocorreu na eletrônica ao longo das últimas décadas. Com a redução dos transistores, que são os dispositivos básicos, foi possível aumentar e agregar funcionalidades em um mesmo chip", afirmou Thiago Alegre, membro da equipe.

A telecomunicação óptica é feita atualmente por um sistema conhecido como multiplexação por divisão de comprimento de onda (do inglês Wavelength-division Multiplexing, ou WDM). O protocolo permite que em uma rede se utilizem sinais ópticos com diferentes frequências, diretamente relacionadas com o comprimento de onda, no mesmo canal físico.

"Quando simultaneamente ocorrem nesses sistemas diferentes conversas, ou troca de informação, cada uma é transmitida em uma frequência (cor) distinta. Mas há momentos em que as centrais de telecomunicações precisam trocar a frequência de uma das conversas porque, em um determinado pedaço do canal físico, aquela frequência já está ocupada", afirmou Alegre.

Para fazer a troca da frequência atualmente, é preciso transformar o pulso óptico em informação elétrica e gerar novamente um pulso óptico em outra frequência. Os efeitos optomecânicos, como o espalhamento Brillouin, se bem controlados, permitiriam tornar esse sistema totalmente óptico. Dessa forma, seria possível reduzir o tamanho e o consumo dos roteadores e de dispositivos que fazem a troca de comprimento de onda.

A luz é manipulada e atua nas bordas das microestruturas.
[Imagem: Thiago Alegre]

Efeitos optomecânicos

O grupo tem-se dedicado a estudar esses efeitos optomecânicos em microcavidades feitas com discos de silício de aproximadamente 10 micrômetros de diâmetro - o equivalente a um décimo da espessura de um fio de cabelo. Os discos são suportados por um pedestal de apenas 1 micrômetro de diâmetro.

"Nós acoplamos a luz nesse sistema com a ajuda de uma fibra óptica de aproximadamente 2 micrômetros de diâmetro e, graças à reflexão que a luz sofre na borda, ela dá centenas de voltas no disco durante alguns nanossegundos até se dissipar. Isso cria os chamados modos de galeria de sussurros (whispering gallery mode). Graças a esse efeito, a luz fica um tempo muito maior na cavidade, interage mais vezes com a matéria e os efeitos optomecânicos são aumentados", contou o pesquisador.

Na avaliação de Alegre, o espalhamento Brillouin é um efeito optomecânico particularmente interessante porque permite gerar cópias do laser e mudar sua cor. "Você incide a luz em uma determinada frequência e ela é espalhada em uma frequência adjacente (uma cor próxima no espectro luminoso). É possível mudar a cor do laser com uma cavidade passiva e transparente, apenas pela interação do movimento mecânico com a luz", contou Alegre.

Ao colocar uma cavidade ao lado da outra é possível intensificar ou diminuir o efeito de espalhamento. Isso acontece porque a luz incidente e a luz espalhada estarão ambas em modos de galeria sussurrantes, aumentando ainda mais o seu tempo de permanência no sistema e, portanto, a interação optomecânica.

O objetivo final, acrescentou o pesquisador, é poder escolher a priori qual será a frequência em que ocorrerá o espalhamento. "Em fibras ópticas esta frequência é praticamente fixa e depende apenas do material (vidro, no caso da fibra óptica). A ideia é que, tendo como base o design da cavidade, já se saiba ou se possa determinar qual será a frequência resultante", explicou Alegre.