Fibra óptica forma-se no ar ambiente e opera continuamente

Redação do Site Inovação Tecnológica - 05/05/2023

O aquecimento do ar pelo laser pulsado gera a diferença de refração que caracteriza o funcionamento da fibra óptica.
[Imagem: APS/A. Stonebraker]

Fibra óptica ao ar livre

As fibras ópticas que viabilizaram a internet como a conhecemos são tipicamente feitas de cristais de quartzo, um tipo de vidro muito puro, mas também já existem versões de vidros comuns, de polímeros, de semicondutores, com núcleos líquidos e até de algas marinhas.

Agora, Andrew Goffin e colegas da Universidade de Maryland, nos EUA, demonstraram uma fibra óptica de operação contínua feita apenas de ar, do ar ambiente, sem nenhum substrato sólido.

Isso é interessante porque torna possível criar comunicações pelo ar livre com a alta velocidade de uma fibra óptica, sem a necessidade da instalação prévia de uma fibra física entre os dois pontos. Isso vai muito além de qualquer técnica de comunicação por luz pelo ar já proposta, incluindo o Li-Fi.

A técnica consiste em usar pulsos de laser ultracurtos para esculpir guias para as ondas de luz no próprio ar. Esses pulsos curtos formam um anel de estruturas de luz de alta intensidade, chamadas filamentos, que aquecem as moléculas de ar. E essas moléculas mais quentes formam um anel estendido de ar aquecido, de baixa densidade, em torno de uma região central não perturbada. E a interface entre essas diferentes regiões fornece exatamente a diferença no índice de refração que caracteriza uma fibra óptica.

Com o próprio ar como fibra, outros feixes de luz, com potências médias muito altas, podem então ser guiadas, levando informações.

(Esquerda): Um laser verde contínuo comum, sem guia de ondas. (Centro): a fibra óptica de ar gerada a 10 Hz. (Direita): a fibra óptica de ar gerada a 1 kHz.
[Imagem: A. Goffin et al. - 10.1364/OPTICA.487292]

Fibra óptica no ar com operação contínua

Os primeiros experimentos conseguiram criar fibras ópticas no ar com 50 metros de comprimento que persistiram por dezenas de milissegundos, o suficiente para transmissão de boas quantidades de dados, e então as fibras se dissipavam pelo resfriamento do ar circundante, precisando ser recriadas por um novo pulso.

Gerados usando apenas 1 watt de potência média do laser, esses guias de onda poderiam, teoricamente, guiar feixes de laser de potência média na faixa dos megawatts, tornando-os candidatos excepcionais para energia direcionada. E o método de guia de onda é diretamente escalável para 1 quilômetro ou mais.

No entanto, o laser gerador do guia de onda nesse primeiro experimento disparava um pulso a cada 100 milissegundos (taxa de repetição de 10 Hz), com dissipação de resfriamento superior a 30 milissegundos, deixando 70 milissegundos entre os disparos sem a presença do guia de ondas de ar. Isso seria um impedimento para guiar um laser de onda contínua com informações ou coletar um sinal óptico contínuo.

Goffin e seus colegas então começaram a aumentar a taxa de repetição do pulso gerador, conseguindo chegar até 1000 Hz (um pulso a cada milissegundo). Nessa velocidade, o laser mantém continuamente o aquecimento do ar, reconstruindo a fibra óptica mais rapidamente do que o ar circundante consegue desfazê-la.

O resultado é uma fibra óptica de ar de operação contínua, capaz de guiar um feixe de laser transmitindo dados continuamente. Além disso, como o guia de ondas é reforçado pela geração repetitiva, a eficiência do confinamento da luz guiada melhorou por um fator de três na taxa de repetição mais alta.

Esquema do experimento de demonstração da fibra óptica de ar.
[Imagem: A. Goffin et al. - 10.1364/OPTICA.487292]

Comunicação com o espaço

A equipe também sugere o uso da técnica para coleta de sinais ópticos remotos, para detectar poluentes ou fontes radioativas, por exemplo. Para isso, o guia de ondas de ar pode ser arbitrariamente "desenrolado" e direcionado na velocidade da luz em qualquer direção.

De olho no futuro, os pesquisadores falam em fibras ópticas implantadas instantaneamente em qualquer direção e em qualquer distância, até mesmo para cima, atravessando toda a atmosfera e chegando ao espaço.

"Com um sistema de laser apropriado para gerar o guia de ondas, o guiamento contínuo de longa distância deve ser facilmente factível," disse Goffin. "Uma vez que tenhamos isso, é apenas uma questão de tempo antes de transmitirmos feixes de laser contínuos de alta potência e detectarmos poluentes a quilômetros de distância."

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