Antenas de luz podem acabar com limites na transmissão de dados

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Multiplexação da luz

Em vários aspectos, o emergente campo da computação com luz está reproduzindo os passos que a computação eletrônica deu décadas atrás. A multiplexação deu impulso ao então nascente campo das telecomunicações ao permitir que várias mensagens trafegassem ao mesmo tempo no mesmo canal de transmissão, seja um fio de telégrafo, uma linha telefônica ou uma fibra óptica. Agora, pesquisadores da Universidade da Califórnia em Berkeley descobriram uma nova maneira de aproveitar as propriedades das ondas de luz que pode aumentar radicalmente a quantidade de dados que essas ondas transportam. O novo trabalho deixa em aberto a quantidade de informação que pode ser multiplexada, ou transmitida simultaneamente, por uma fonte de luz coerente. Eles fizeram sua demonstração usando luz torcida, feixes de laser que giram sobre o próprio eixo, emitida por minúsculas antenas feitas de anéis concêntricos, com o diâmetro aproximado ao de um fio de cabelo humano, pequenas o suficiente para serem colocados dentro de chips de computador.

"É a primeira vez que os lasers que produzem luz torcida são multiplexados diretamente. A tecnologia que estamos relatando supera os limites atuais de capacidade de dados por meio de uma característica da luz chamada momento angular orbital. É uma virada de jogo, com aplicações em imagens biológicas, criptografia quântica, comunicações de alta capacidade e sensores," disse o professor Boubacar Kanté. "Estamos experimentando uma explosão de dados em nosso mundo, e os canais de comunicação que temos agora serão insuficientes para o que precisamos."

Infinitos canais na luz

O avanço é importante porque os métodos atuais de transmissão de sinais por meio de ondas eletromagnéticas estão atingindo seu limite. A frequência, por exemplo, ficou saturada, e é por isso que há tanta interferência entre estações no rádio. A polarização, em que as ondas de luz são separadas em dois valores - horizontal ou vertical - pode dobrar a quantidade de informações transmitidas. Os cineastas tiram vantagem disso ao criar filmes 3D, permitindo que os espectadores com óculos especiais recebam dois conjuntos de sinais - um para cada olho - para criar um efeito estereoscópico e a ilusão de profundidade. Mas, além da frequência e da polarização, a luz possui um momento angular orbital, ou MAO, uma propriedade da luz que atraiu a atenção dos cientistas porque oferece uma capacidade exponencialmente maior de transmissão de dados. Uma maneira de pensar sobre o momento angular da luz é compará-lo ao vórtice de um tornado, daí o nome "luz torcida".

"O vórtice na luz, com seus infinitos graus de liberdade, pode, em princípio, suportar uma quantidade ilimitada de dados," disse Kanté. "O desafio tem sido encontrar uma maneira de produzir confiavelmente o número infinito de feixes MAO. Ninguém jamais produziu feixes MAO de cargas tão altas em um dispositivo tão compacto antes."

Antenas topológicas e números quânticos

Para obter seu avanço, a equipe usou antenas topológicas, o que significa que suas propriedades essenciais estão em sua superfície, sendo mantidas mesmo quando o dispositivo é torcido ou dobrado. Usando litografia de feixe de elétrons, a equipe gravou um padrão de grade em fosfeto de arseneto de gálio e índio, um material semicondutor, e então colou a estrutura sobre uma superfície feita de granada de ítrio e ferro. Os pesquisadores projetaram a grade para formar poços quânticos em um padrão de três círculos concêntricos - o maior com cerca de 50 micrômetros de diâmetro - para capturar os fótons. Isso criou condições para a emergência de um fenômeno conhecido como efeito Hall quântico fotônico, que descreve o movimento dos fótons quando um campo magnético é aplicado, forçando a luz a viajar em apenas uma direção nos anéis.

"As pessoas pensaram que o efeito Hall quântico com um campo magnético poderia ser usado em eletrônica, mas não em óptica, devido ao fraco magnetismo dos materiais existentes nas frequências ópticas," disse Kanté. "Somos os primeiros a mostrar que o efeito Hall quântico funciona para a luz."

Na demonstração, a equipe gerou feixes de laser com até 276 voltas ao longo de seu eixo em cada comprimento de onda - ou 276 número quânticos, como os físicos dizem.

"Ter um número quântico maior é como ter mais letras para usar no alfabeto," comparou Kanté. "Estamos permitindo que a luz expanda seu vocabulário. Em nosso estudo, demonstramos essa capacidade em comprimentos de onda de telecomunicações, mas, em princípio, ela pode ser adaptada a outras bandas de frequência. Embora tenhamos criado três lasers, multiplicando a taxa de dados por três, não há limite para o número possível de feixes e capacidade de dados."

Bibliografia:

Artigo: Photonic quantum Hall effect and multiplexed light sources of large orbital angular momenta
Autores: Babak Bahari, Liyi Hsu, Si Hui Pan, Daryl Preece, Abdoulaye Ndao, Abdelkrim El Amili, Yeshaiahu Fainman, Boubacar Kanté
Revista: Nature Physics
DOI: 10.1038/s41567-021-01165-8

FONTE: Inovação Tecnológica