Um microchip do tamanho de um grão de arroz pode gerar um “arco-íris” de luz altamente organizado, uma capacidade que poderia eventualmente suportar comunicações 6G rápidas e de alta capacidade e um tempo extremamente preciso para tecnologias quânticas.
Físicos da Universidade de Loughborough, trabalhando com uma equipe de pesquisa internacional, demonstraram um sistema que gera uma série de frequências de luz precisamente espaçadas. Essas frequências ópticas podem então ser convertidas em vários sinais eletromagnéticos de alta frequência, conhecidos como ondas milimétricas.
As ondas milimétricas estão atraindo cada vez mais interesse para comunicações futuras porque podem fornecer largura de banda significativamente maior, dando às redes mais espaço para transmitir dados. No entanto, um grande obstáculo é produzir estes sinais com a precisão e estabilidade necessárias para aplicações avançadas.
“O mundo está cada vez mais sedento por dados. Queremos enviar e receber mais informações com mais rapidez e em maior resolução, e as ondas milimétricas podem ajudar a fornecer essa capacidade”, disse o Dr. Luke Peters, do Centro de Pesquisa Emergente de Fotônica da Universidade de Loughborough.
“Eles podem eventualmente contribuir para redes 6G mais rápidas e de maior capacidade, mas o potencial vai muito além das comunicações. Essas frequências também podem ser usadas em sistemas de radar, bem como em espectroscopia e instrumentos astronômicos, ajudando os cientistas a estudar materiais e a fazer medições extremamente precisas do universo.
“Essas aplicações ainda estão um pouco distantes e há desafios a serem superados antes que a tecnologia possa ser usada em sistemas do mundo real – mas nosso trabalho mais recente resolveu um grande problema”.
Microcombs podem criar vários canais 6G
Um método de geração de ondas milimétricas depende de um dispositivo chamado microcomb. Um microcomb produz um conjunto extremamente preciso de frequências de luz que são organizadas como as cores de um arco-íris, embora a luz em si seja invisível ao olho humano. Uma antena especial pode então converter essas frequências ópticas em ondas milimétricas.
Pesquisas anteriores mostraram que microcombs podem gerar uma frequência de onda milimétrica precisa. A geração simultânea de múltiplas frequências pode ser muito mais útil, pois cada uma pode servir potencialmente como um canal separado para transmitir informações ao mesmo tempo. No entanto, conseguir isso requer microcombs com estabilidade e qualidade de sinal excepcionais.
em um novo comunicação da natureza No artigo, pesquisadores liderados por Loughborough relatam um sistema que é capaz de fazer exatamente isso. Sua abordagem produz um microcomb estável e de alta qualidade que pode ser convertido simultaneamente em múltiplas frequências de ondas milimétricas espaçadas com precisão.
A diferença está na forma como a micropente é produzida. Os sistemas convencionais normalmente direcionam a luz laser para um microrressonador, uma pequena estrutura construída em um microchip que retém a luz e permite que ela se propague.
Em vez disso, o sistema Loughborough conecta um microrressonador baseado em chip a um grande circuito de fibra óptica. A luz do laser passa continuamente por ambas as partes do sistema, ajudando a criar e estabilizar o estado óptico desejado.
“Essencialmente, criamos um ‘arco-íris em um chip’ incrivelmente preciso e estável, onde o loop continua enviando luz de volta através do chip, permitindo que esses estados sejam construídos de forma eficiente, iniciem por conta própria e permaneçam estáveis mesmo quando o sistema é perturbado”, disse o Dr.
“Também é notavelmente robusto. Vimos até pessoas pulando para cima e para baixo próximo ao sistema e o microcomb permanece estável.”
Um arco-íris de luz constante e controlável
Os pesquisadores também mostraram que poderiam manipular o “arco-íris” do microcomb aumentando ou diminuindo a força de frequências individuais. É importante ressaltar que a precisão e a estabilidade do microcomb óptico foram preservadas após a conversão da luz em sinais de ondas milimétricas.
Esse controle poderia permitir que sistemas futuros gerassem diferentes combinações de frequências dependendo da aplicação.
“Ser capaz de tornar frequências individuais mais fortes ou mais fracas nos dá maior controle sobre os sinais que produzimos, já que diferentes aplicações exigirão diferentes combinações de frequências”, disse o Dr. Peters.
“É importante ressaltar que mostramos que a precisão do microcomb atinge ondas milimétricas. Isso nos dá um conjunto completo de sinais altamente controlados, que é o que você precisa para aplicações onde a precisão e a estabilidade são importantes.
“O mesmo nível de precisão é valioso para o tempo. O tempo preciso está no centro das tecnologias quânticas emergentes, onde a precisão extrema é um requisito.”
Encolhendo a tecnologia além do laboratório
A equipe está agora investigando como o sistema de microcomb pode eventualmente passar de um experimento de laboratório para uma tecnologia prática.
Embora o microchip central tenha apenas o tamanho de um grão de arroz, todo o sistema atualmente reside em um laboratório de mesa. Os pesquisadores acreditam que as versões futuras poderão ser significativamente menores e mais eficientes em termos energéticos, potencialmente compactas o suficiente para caber dentro de uma caixa de sapatos.
Uma possibilidade na qual a equipa está particularmente interessada é a utilização da tecnologia em satélites, onde a redução do tamanho, peso e consumo de energia é particularmente importante.
Tempo preciso para tecnologias quânticas
Os pesquisadores também estão trabalhando para determinar a precisão final do sistema microcomb. Eles estão comparando-o com relógios de precisão e investigando usos potenciais em cronometragem, navegação e posicionamento através de uma colaboração com o Laboratório Físico Nacional e como parte de um esforço mais amplo envolvendo o Laboratório Físico Nacional e o Centro do Reino Unido para Posicionamento, Navegação e Cronometragem Habilitados por Quântica (QEPNT).
“Estamos realmente entusiasmados em ver até onde podemos levar a precisão e a estabilidade dessas micropentes, especialmente para tecnologias que dependem de temporização extremamente precisa”, disse o Dr. Antonio Cutrona, que liderou as medições de estabilidade das microcumbas.
“Esperamos que este estudo e o nosso sistema abram novas formas de trazer a extraordinária precisão dos relógios atómicos para tecnologias mais compactas de cronometragem, navegação e posicionamento, e é particularmente emocionante explorar estas possibilidades através da nossa extensa colaboração com o Laboratório Nacional de Física e o Centro do Reino Unido para Posicionamento, Navegação e Cronometragem Habilitados por Quântica.”
O estudo reúne a experiência do Emergent Photonics Research Centre da Loughborough University, da University of Sussex, da City University of Hong Kong, da QXP Technologies, do INRS-EMT e da Swinburne University of Technology e ARC-Combs.
