Há alguns anos, pesquisadores do laboratório de Michal Lipson notaram algo notável.
Eles estão trabalhando em um projeto para melhorar o lidar, uma tecnologia que usa ondas de luz para medir distâncias. O laboratório está projetando chips de alta potência que podem produzir feixes mais brilhantes.
“À medida que enviamos mais e mais energia através do chip, percebemos que ele estava criando o que chamamos de pente de frequência”, disse Andres Gil-Molina, ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lipson.
Um pente de frequência é um tipo especial de luz que contém múltiplas cores organizadas juntas de maneira ordenada, como um arco-íris. Dezenas de cores (ou frequências de luz) brilham intensamente, enquanto as lacunas entre elas permanecem escuras. Quando você olha para um pente de frequência em um espectrograma, essas frequências brilhantes aparecem como pontas ou dentes do pente. Isso oferece uma grande oportunidade de enviar dezenas de fluxos de dados simultaneamente. Como as diferentes cores de luz não interferem entre si, cada dente atua como seu próprio canal.
Hoje, a criação de pentes de frequência poderosos requer lasers e amplificadores grandes e caros. Em seu novo artigo Fotônica da NaturezaLipson, Eugene Higgins, professor de engenharia elétrica e professor de física aplicada, e seus colaboradores mostraram como a mesma coisa pode ser realizada em um único chip.
“Os data centers criaram uma enorme necessidade de fontes de luz poderosas e eficientes que contenham múltiplos comprimentos de onda”, disse Gil-Molina, agora engenheiro principal da Xscape Photonics. “A tecnologia que desenvolvemos pega um laser muito poderoso e o traduz em dezenas de canais limpos e de alta potência em um chip. Isso significa que você pode substituir um rack de lasers individuais por um dispositivo compacto, reduzindo custos, economizando espaço e abrindo a porta para sistemas mais rápidos e com maior eficiência energética.”
“Esta pesquisa marca outro marco em nossa missão de avançar na fotônica do silício”, disse Lipson. “À medida que esta tecnologia se torna cada vez mais importante em infraestruturas críticas e nas nossas vidas diárias, este avanço é fundamental para garantir que os data centers sejam tão eficientes quanto possível.”
Limpe a iluminação bagunçada
Essa descoberta começou com uma pergunta simples: qual é o laser mais poderoso que podemos colocar em um chip?
A equipe escolheu um tipo chamado diodo laser multimodo, que é amplamente utilizado em aplicações como dispositivos médicos e ferramentas de corte a laser. Esses lasers podem produzir grandes quantidades de luz, mas os feixes são “confusos”, tornando-os difíceis de usar para aplicações precisas.
A integração de tais lasers em chips fotônicos de silício, onde os caminhos ópticos têm apenas alguns mícrons ou mesmo centenas de nanômetros de largura, requer uma engenharia cuidadosa.
“Usamos algo chamado mecanismo de bloqueio para limpar esta fonte de luz poderosa, mas muito barulhenta”, disse Gil-Molina. O método depende da fotônica do silício para remodelar e limpar a saída do laser, produzindo um feixe mais limpo e estável, uma propriedade que os cientistas chamam de alta coerência.
Depois que a luz é purificada, as propriedades ópticas não lineares do chip entram em ação, dividindo um único feixe poderoso em dezenas de cores uniformemente espaçadas, uma característica definidora dos pentes de frequência. O resultado é uma fonte de luz compacta e eficiente que combina a potência bruta dos lasers industriais com a precisão e estabilidade necessárias para comunicações e detecção avançadas.
Por que isso importa agora
O momento dessa descoberta não foi acidental. À medida que a inteligência artificial explode, a infraestrutura dentro dos data centers está lutando para mover informações com rapidez suficiente, como entre processadores e memória. Os data centers de última geração já utilizam links de fibra óptica para transmitir dados, mas a maioria deles ainda depende de lasers de comprimento de onda único.
Os pentes de frequência mudam isso. Em vez de um feixe transportar um fluxo de dados, dezenas de feixes podem passar em paralelo pela mesma fibra. Este é o princípio por trás da multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), a tecnologia que transformou a Internet em uma rede global de alta velocidade no final da década de 1990.
Ao fabricar pentes de alta potência e múltiplos comprimentos de onda pequenos o suficiente para caberem diretamente em um chip, a equipe de Lipson tornou possível levar esse recurso às partes mais compactas e econômicas dos sistemas de computação modernos. Além dos data centers, os mesmos chips poderiam alimentar espectrômetros portáteis, relógios ópticos de ultraprecisão, dispositivos quânticos compactos e até mesmo sistemas lidar avançados.
“Trata-se de trazer fontes de luz de nível laboratorial para dispositivos do mundo real”, disse Gil-Molina. “Se você puder torná-los poderosos, eficientes e pequenos o suficiente, poderá colocá-los em quase qualquer lugar.”
