Brasileiros projetam componente para manipular luz com ondas sônicas
Autor: Prof. Paulo Robson | Publicado: 2017-03-31T12:10:00-03:00




 
 
 
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Simulação numérica das ondas acústicas propagando-se na borda dos 
microdiscos. A deformação representa a movimentação causada pela onda 
acústica, enquanto a escala de cores representa a intensidade do campo 
eletromagnético da luz nas superfícies do disco.[Imagem:&nbsp;Yovanny Espinel
 et al.]


Comunicações
por fibra óptica

Físicos
brasileiros idealizaram um componente fotônico de silício que
poderá viabilizar a interação entre ondas ópticas e mecânicas
que vibram na faixa de dezenas de gigahertz (GHz).

Esta
é uma área emergente, mas os avanços mais recentes já foram
suficientes para que hoje se aposte que os efeitos
optomecânicos podem revolucionar as telecomunicações,
superando limitações que reduzem a quantidade de informações que
se pode transmitir pelas fibras ópticas e outros "dutos"
fotônicos, como as guias de onda.

Essa
limitação na quantidade de informações é estabelecida por um
efeito físico não linear conhecido como espalhamento Brillouin -
descrito em 1922 pelo físico francês León Nicolas Brillouin
(1889-1969) -, que estabelece que, ao passar por um meio
transparente, como uma fibra óptica, os fótons da luz interagem com
vibrações elásticas (fônons, ou ondas sônicas) de altíssimas
frequências, da ordem de dezenas de GHz.

Dependendo
da potência com que a luz é irradiada pela fibra óptica por uma
fonte de laser, o campo eletromagnético da luz excita as ondas
acústicas - mecânicas - que se propagam ao longo do material e
espalham a luz em uma nova frequência, diferente da irradiada
originalmente pelo laser, criando ruído que atrapalha a comunicação.

Discos
e microcavidades

A
fim de superar essa limitação para a propagação da luz, os
físicos vêm trabalhando com pequenos discos de silício, com
aproximadamente 10 micrômetros de diâmetro, que funcionam como
microcavidades, que "aprisionam" a luz.

Em
razão da reflexão que a luz sofre na borda do material, ela dá
milhares de voltas na cavidade do disco durante alguns nanossegundos
até se dissipar. Na prática isso é equivalente a retardar a luz,
já que ela fica um tempo na cavidade. Nesse período, ela interage
mais vezes com a matéria e amplia os efeitos optomecânicos,
permitindo que eles sejam estudados e explorados para finalidades
práticas.

São
mecanismos assim que estão sendo usados para retardar,
acelerar e bloquear a luz e para reforçar
os sinais nas fibras ópticas.

Infelizmente,
a despeito de possibilitar que a luz irradiada originalmente pelo
laser seja propagada, essa microcavidade em forma de disco não
permite que a luz de qualquer frequência seja ressonante - se
propague por elas - inviabilizando a exploração do efeito de
espalhamento Brillouin.


O segredo do componente está na distância 
nanométrica entre os dois discos.    [Imagem: Y. A. V. Espinel et al. - 
10.1038/srep43423]


Acoplamento
de luz e som

Agora,
Yovanny Espinel e seus colegas da Unicamp (Universidade Estadual de
Campinas) idealizaram um disco duplo, um sistema composto por dois
microdiscos de silício com uma cavidade cada um, acoplados
lateralmente. Como a distância entre as duas cavidades é
extremamente pequena - da ordem de centenas de nanômetros -, isso
cria um efeito chamado separação de frequência.

Esse
efeito possibilita fazer uma pequena separação entre a frequência
da luz espalhada pela onda acústica, por um lado, e, por outro, a
luz emitida pelo laser. Essa frequência é da ordem de 11 a 25 GHz -
exatamente a mesma das ondas mecânicas -, o que garante que os
milhares de fônons (quasipartículas elementares das ondas
acústicas) gerados por segundo neste sistema (em taxas que variam de
50 a 90 KHz) possam se propagar nas cavidades.

Dessa
forma, é possível observar e explorar o espalhamento Brillouin
nesse sistema micrométrico. "Mostramos que, com um laser com
uma potência da ordem de 1 miliwatt - que é equivalente à potência
de um laser usado em um apontador para apresentações, por exemplo -
seria possível observar o efeito de espalhamento Brillouin em um
sistema com duas cavidades," afirmou o professor Gustavo
Wiederhecker.

Como
os discos simples já estão em uso em laboratórios de todo o mundo,
e como eles são fabricados com a tecnologia padrão da indústria
eletrônica, os experimentalistas não deverão ter grandes problemas
em fabricar a estrutura projetada pelos físicos brasileiros e
verificar seu funcionamento.

Matéria
colhida na íntegra em: Inovação Tecnológica