A luz desempenha um papel central na tecnologia atual, 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 criaram um amplificador óptico compacto do tamanho da ponta de um dedo que pode amplificar sinais de luz usando muito pouca energia e mantendo largura de banda total.
Os amplificadores ópticos funcionam da mesma maneira que os amplificadores de áudio, exceto que 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 esse problema ao reutilizar grande parte da energia necessária para seu funcionamento.
“Demonstramos pela primeira vez um amplificador óptico de baixa potência verdadeiramente versátil que pode operar em todo o espectro óptico e é eficiente o suficiente para ser integrado a um chip”, 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 criar sistemas ópticos muito mais complexos do que era possível antes.”
Um amplificador desenvolvido em Stanford pode aumentar a intensidade de um sinal luminoso em cerca de 100 vezes usando apenas algumas centenas de miliwatts de potência. Isto é muito menos energia do que dispositivos semelhantes normalmente requerem. Por ser eficiente e pequeno, pode funcionar com bateria e ser integrado a dispositivos como laptops ou smartphones.
Ruído reduzido e maior largura de banda
Assim como seus equivalentes de áudio, os amplificadores ópticos podem criar ruídos indesejados ao amplificar um sinal. Os pesquisadores mostraram que seu design minimiza esse ruído. Ele também 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 no feixe de luz, que funciona como uma “bomba”. Seu desempenho depende da intensidade da luz da bomba.
“Ao reciclar a energia da bomba que alimenta este amplificador, tornámo-lo mais eficiente sem sacrificar as suas outras propriedades”, disse Devin Dean, um dos autores do estudo e pós-doutorando no laboratório Safavi-Naeney.
Reciclagem de energia luminosa para sinais mais fortes
A equipe alcançou essa eficiência utilizando um design ressonante semelhante às técnicas já utilizadas em lasers. Dean descreveu isso como um “truque de reciclagem de energia”. Simplificando, o sistema envia luz de volta para si mesmo, permitindo que ela ganhe força ao longo do tempo, semelhante à forma como a luz salta entre dois espelhos.
Dentro deste amplificador, a luz da bomba é gerada em um ressonador onde percorre um caminho circular contínuo semelhante a uma pista de corrida. À medida que gira, a luz torna-se mais intensa, permitindo amplificar o sinal alvo de forma mais eficaz. Esta abordagem produz uma produção mais forte enquanto requer menos energia.
Como o dispositivo é compacto e eficiente em termos energéticos, ele pode funcionar com bateria e ser incorporado em pequenos componentes eletrônicos.
“Se você puder fazer isso, as possibilidades são realmente vastas, porque são tão pequenas que você pode produzi-las em massa e alimentá-las com baterias”, disse Dean. “Eles poderiam ser potencialmente usados para transmissão de dados, biossensores, criação de novas fontes de luz ou muitas coisas diferentes.”
Potenciais aplicações e apoio à investigação
Coautores adicionais de Stanford incluem o primeiro autor Tevon Park, pós-doutorado no laboratório Safavi-Naeini; Professor de Física Aplicada Martin Feuer; o estudante de doutorado Hubert Stokowski; e os estudantes de doutorado Sam Robison, Alexander Hwang, Luke Tee e Jason Herman.
Dean, Park, Safavi-Naeini e Stokowski são inventores de um pedido de patente que cobre métodos para obter uma 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.
