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 de Stanford desenvolveram uma maneira de levar a luz ainda mais longe. Eles desenvolveram um amplificador óptico compacto, na ponta de um dedo, que pode amplificar sinais de luz usando muito pouca energia e mantendo largura de banda total.
Os amplificadores ópticos funcionam como amplificadores de áudio, mas amplificam a luz em vez do som. As versões compactas tradicionais requerem uma potência significativa para funcionar, o que limita a sua eficácia. O novo dispositivo, descrito na revista Nature, supera este desafio ao reutilizar grande parte da energia necessária para o seu funcionamento.
“Demonstramos, pela primeira vez, um amplificador óptico verdadeiramente versátil e de baixa potência que pode operar em todo o espectro óptico e é eficiente o suficiente para ser integrado a um chip”, disse Amir Safavi-Naini, autor sênior do estudo e professor associado de ciências na Saffords School. “Isso significa que agora podemos construir sistemas ópticos muito mais complexos do que nunca.”
O amplificador desenvolvido em Stanford pode amplificar a intensidade de um sinal de luz quase 100 vezes usando apenas algumas centenas de miliwatts de potência. Isso representa muito menos energia do que dispositivos semelhantes normalmente exigem. Por ser eficiente e pequeno, pode funcionar com bateria e ser integrado a um dispositivo como um laptop ou smartphone.
Ruído reduzido e maior largura de banda
Tal como os seus homólogos de áudio, os amplificadores ópticos podem introduzir ruído indesejado ao aumentar o sinal. Os pesquisadores mostraram que seu projeto manteve esse ruído ao mínimo. Ele opera em uma faixa mais ampla de comprimentos de onda do que os amplificadores existentes, o que significa que pode transportar mais dados com menos interferência.
Este tipo de amplificador depende da energia armazenada em um feixe de luz que atua como uma “bomba”. O desempenho da bomba depende da intensidade da luz.
“Ao reciclar a energia da bomba que alimenta este amplificador, tornámo-lo mais eficiente e não prejudica nenhuma das suas outras propriedades”, disse Devin Dean, co-autor do estudo e estudante de doutoramento no laboratório de Safavi-Naini.
Reciclagem de energia luminosa para sinais mais fortes
A equipe conseguiu esse feito usando designs ressonantes semelhantes aos métodos já usados em lasers. Dean descreve isso como uma “estratégia de reciclagem de energia”. Simplificando, o sistema reflete a luz sobre si mesmo, permitindo acumular energia ao longo do tempo, da mesma forma que reflete a luz entre dois espelhos.
Dentro deste amplificador, a luz da bomba é gerada em um ressonador onde viaja em um caminho circular contínuo como uma pista de corrida. À medida que faz um loop, a luz se torna mais intensa, permitindo amplificar o sinal alvo de forma mais eficaz. Este método produz uma saída forte enquanto requer menos potência de entrada.
Como o dispositivo é compacto e eficiente em termos energéticos, ele pode operar com bateria e ser incorporado em pequenos componentes eletrônicos.
“Quando você pode fazer isso, as possibilidades são bastante 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, biosensor, criação de novas fontes de luz ou uma variedade de coisas”.
Potenciais aplicações e apoio à investigação
Co-autores adicionais de Stanford incluem a co-autora Taeyeon Park, uma estudante de doutorado no laboratório de Safavi-Naini; Professor de Física Aplicada Martin Feser; bolsista de pós-doutorado Hubert Stokowski; e os estudantes de doutorado Sam Robison, Alexander Hwang, Luke Qi e Jason Herman.
Dean, Park, Safavi-Naini e Stokowski são inventores de um pedido de patente que cobre métodos para alcançar eficiência quântica em sensores fotônicos com energia limitada.
Este trabalho foi apoiado em parte pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa, pela NTT Research e pela National Science Foundation.
