Vórtices de luz levam muito mais informações - por fibra óptica ou chip

Redação do Site Inovação Tecnológica - 07/11/2022

O isolador óptico permite transmitir diversos modos de vórtice, com graus de liberdade adicionais, o que significa mais dados no mesmo pulso de luz.
[Imagem: Xinglin Zeng et al. - 10.1126/sciadv.abq6064]

Vórtices de luz

A luz torcida, um vórtice de luz criado sob demanda e com as propriedades desejadas, representa uma das ferramentas mais promissoras para transportar informações, seja nas comunicações por fibras ópticas atuais, na fotônica ou mesmo em tecnologias quânticas.

Mais interessante ainda é colocar a luz torcida dentro dos chips, permitindo substituir a eletricidade por luz, criando processadores mais rápidos e que consomem uma fração da energia dos atuais.

É aqui que Xinglin Zeng e colegas do Instituto Max Planck para Ciência da Luz, na Alemanha, acabam de fazer um progresso longamente esperado.

Zeng criou o primeiro diodo para vórtices de luz, um componente que só permite a passagem unidirecional da luz torcida, melhorando significativamente a qualidade dos sinais transmitidos em comunicações ópticas porque essa via de mão única impede o retroespalhamento, que adiciona ruído dos dados à frente naqueles que estão entrando na fibra óptica - ou no chip.

A equipe enfatiza a grande utilidade prática de sua inovação em muitos sistemas da óptica e da fotônica, com aplicações que vão desde comunicações multiplexadas por divisão de modo, pinças ópticas e lasers de vórtices até sistemas de manipulação quântica.

Embora use ondas sonoras (senoide em vermelho) para vencer a reciprocidade, o funcionamento do componente é totalmente baseado em luz.
[Imagem: Xinglin Zeng et al. - 10.1126/sciadv.abq6064]

Isolador de vórtice óptico

A comunicação óptica pode ser melhorada aumentando a quantidade de informação transmitida em cada fibra. Isso pode ser obtido usando canais multiplexados, com o uso de vários comprimentos de onda (cores), diferentes estados de polarização ou vários intervalos de tempo entre os pulsos de luz.

Inúmeros experimentos têm demonstrado as vantagens do uso de vórtices em métodos de multiplexação, tanto na comunicação clássica, como na comunicação quântica: O vórtice de luz, com sua fase helicoidal, traz um grau adicional de liberdade para a multiplexação dos sinais ópticos.

Para fazer isso, contudo, assim como acontece na eletrônica, onde o componente fundamental diodo deixa a eletricidade passar apenas num sentido, faltava um componente que permitisse a transmissão de determinados modos de vórtice apenas numa direção, impedindo seu retorno. Foi isso que a equipe criou, um componente que tem o nome técnico de isolador de vórtice óptico.

Som gerado por luz

Para criar o componente era necessário vencer um princípio fundamental da óptica, a reciprocidade, que envolve uma resposta simétrica de um canal de transmissão quando a fonte e os pontos de observação são invertidos. A equipe conseguiu isto usando ondas sonoras induzidas por luz, uma tecnologia que eles haviam desenvolvido e que comparam a transformar relâmpago em trovão para manipular dados.

As ondas sonoras induzidas por luz propagam-se apenas em uma direção, quebrando a reciprocidade de transmissão da luz para os modos de vórtice escolhidos. Com isto, um vórtice óptico específico pode ser fortemente suprimido ou amplificado usando uma luz de controle. Os resultados experimentais mostram uma taxa de isolamento de vórtices significativa, evitando retroespalhamento e degradação do sinal no sistema.

"O isolador de vórtice óptico acionado por luz terá grande impacto em aplicações como comunicações ópticas, processamento de informações quânticas, pinças ópticas e lasers de fibra. Acho a possibilidade de manipulação seletiva dos modos de vórtice apenas por ondas de luz e som um conceito muito fascinante," disse a professora Birgit Stiller, coordenadora da equipe.

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