A luz desempenha um papel central na tecnologia moderna, alimentando tudo, desde televisões e satélites até cabos de fibra óptica que transportam dados da Internet em todo o mundo. Agora, os físicos da Universidade de Stanford desenvolveram uma maneira de levar a luz mais longe. Eles criaram um amplificador óptico compacto, do tamanho da ponta de um dedo, que aumenta os sinais ópticos enquanto usa muito pouca energia e mantém a largura de banda total.
Os amplificadores ópticos funcionam como amplificadores de áudio, exceto que melhoram a luz em vez do som. As versões compactas tradicionais requerem grandes quantidades de energia para funcionar, o que limita a sua eficiência. O novo dispositivo descrito na Nature supera este desafio ao reutilizar grande parte da energia necessária para o seu funcionamento.
“Pela primeira vez, demonstramos um amplificador óptico verdadeiramente versátil e de baixa potência que opera em todo o espectro e é eficiente o suficiente para ser integrado em um wafer”, disse Amir Safavi-Naeini, autor sênior do estudo e professor associado de física na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford. “Isso significa que agora podemos construir sistemas ópticos mais complexos do que antes.”
Um amplificador desenvolvido na Universidade de Stanford pode aumentar a intensidade dos sinais ópticos em cerca de 100 vezes, usando apenas algumas centenas de miliwatts de potência. Isso representa muito menos energia do que dispositivos similares normalmente requerem. Por ser eficiente e pequeno, pode funcionar com baterias e ser integrado em dispositivos como laptops ou smartphones.
Reduza o ruído e aumente a largura de banda
Assim como os amplificadores de áudio, os amplificadores ópticos podem introduzir ruídos indesejados ao aumentar os sinais. Os pesquisadores mostraram que seu design minimizou esse ruído. Ele opera em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda do que os amplificadores existentes, o que significa que pode transmitir mais dados com menos interferência.
Este tipo de amplificador depende da energia armazenada em um feixe de luz que atua como uma “bomba”. Seu desempenho depende da intensidade da luz da bomba.
“Ao reciclar a energia da bomba que alimenta o amplificador, aumentamos a sua eficiência, e isso não prejudica as suas outras propriedades”, disse o co-autor do estudo, Devin Dean, estudante de doutoramento no laboratório de Safavi-Naeini.
Recicle a energia da luz para obter um sinal mais forte
A equipe alcançou essa eficiência usando um design ressonante semelhante aos métodos já utilizados em lasers. Dean descreve isso como um “truque de recuperação de energia”. Simplificando, o sistema envia luz de volta para si mesmo, permitindo que sua intensidade aumente ao longo do tempo, como a luz refletida entre dois espelhos.
Dentro deste amplificador, a luz da bomba é gerada dentro do ressonador e percorre um caminho circular contínuo, semelhante a uma pista de corrida. À medida que circula, a luz torna-se mais intensa, tornando-a mais eficaz na amplificação dos sinais alvo. Este método produz uma saída mais forte enquanto requer menos energia de entrada.
Como o dispositivo é compacto e energeticamente eficiente, ele pode ser alimentado por bateria e integrado em pequenos componentes eletrônicos.
“Quando você pode fazer isso, as possibilidades são realmente amplas porque são tão pequenas que você pode produzi-las em massa e alimentá-las com baterias”, disse Dean. “Eles poderiam ser potencialmente usados para comunicação de dados, biossensor, criação de novas fontes de luz ou muitas coisas diferentes.”
Potenciais aplicações e apoio à investigação
Outros coautores de Stanford incluem o coautor Taewon Park, estudante de doutorado no laboratório de Safavi-Naeini; Martin Fejer, professor de física aplicada; pesquisador de pós-doutorado Hubert Stokowski; e os estudantes de doutorado Sam Robison, Alexander Hwang, Luke Qi e Jason Herrmann.
Dean, Park, Safavi-Naeini e Stokowski são inventores de um pedido de patente que cobre métodos para obter vantagem quântica em sensores fotônicos com potência limitada.
Este trabalho foi apoiado em parte pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, pela NTT Research e pela National Science Foundation.
