Há alguns anos, cientistas no laboratório de Michal Lipson fizeram uma descoberta inesperada enquanto trabalhavam em maneiras de aprimorar o LiDAR — uma tecnologia que mede distâncias usando ondas de luz. O projeto deles envolvia a criação de chips de alta potência capazes de gerar feixes de luz mais intensos.
“À medida que enviávamos cada vez mais potência pelo chip, notamos que estava criando o que chamamos de um pente de frequência,” diz Andres Gil-Molina, um ex-pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Lipson.
Um pente de frequência é um tipo único de luz composto por muitas cores (ou frequências) distintas que aparecem lado a lado em uma sequência organizada, semelhante às faixas de um arco-íris. Cada cor brilha intensamente enquanto os espaços entre elas permanecem escuros. Em um espectrograma, essas frequências brilhantes formam picos espaçados uniformemente que se assemelham aos dentes de um pente. Esse padrão permite que dezenas de canais de dados funcionem simultaneamente, uma vez que cada cor de luz pode carregar informações sem interferir nas outras.
Normalmente, gerar um potente pente de frequência requer lasers e amplificadores volumosos e caros. Em um novo estudo publicado na Nature Photonics, Lipson, a Professora Eugene Higgins de Engenharia Elétrica e professora de Física Aplicada, e seus colegas demonstram como alcançar o mesmo efeito usando um único microchip.
“Os centros de dados criaram uma demanda enorme por fontes de luz poderosas e eficientes que contenham muitos comprimentos de onda,” diz Gil-Molina, que agora é engenheiro principal na Xscape Photonics. “A tecnologia que desenvolvemos transforma um laser muito potente em dezenas de canais limpos e de alta potência em um chip. Isso significa que você pode substituir estantes de lasers individuais por um dispositivo compacto, reduzindo custos, economizando espaço e abrindo caminho para sistemas muito mais rápidos e energeticamente eficientes.”
“Esta pesquisa marca outro marco em nossa missão de avançar a fotônica de silício,” disse Lipson. “À medida que essa tecnologia se torna cada vez mais central para a infraestrutura crítica e nossas vidas diárias, esse tipo de progresso é essencial para garantir que os centros de dados sejam tão eficientes quanto possível.”
Limpeza da luz bagunçada
O avanço da equipe começou com uma pergunta simples: quão poderoso um laser poderiam integrar em um chip?
Decidiram trabalhar com um diodo laser multimodo — um tipo de laser comumente usado na medicina e em ferramentas de corte industrial. Embora esses lasers possam produzir enormes quantidades de luz, seus feixes são normalmente caóticos ou “bagunçados,” tornando-os inadequados para aplicações de precisão.
Incorporar um tal laser em um chip de fotônica de silício, onde a luz viaja por caminhos microscópicos de apenas alguns micrômetros ou até mesmo centenas de nanômetros de largura, exigiu engenharia intrincada.
“Usamos algo chamado mecanismo de bloqueio para purificar essa fonte de luz poderosa, mas muito barulhenta,” diz Gil-Molina. O método depende da fotônica de silício para reformular e limpar a saída do laser, produzindo um feixe muito mais limpo e estável, uma propriedade que os cientistas chamam de alta coerência.
Uma vez que a luz é purificada, as propriedades ópticas não lineares do chip entram em ação, dividindo aquele único feixe poderoso em dezenas de cores espaçadas uniformemente, uma característica definidora de um pente de frequência. O resultado é uma fonte de luz compacta e de alta eficiência que combina a potência bruta de um laser industrial com a precisão e estabilidade necessárias para comunicações e sensoriamento avançados.
Por que isso importa agora
O momento para esse avanço não é acidental. Com o crescimento explosivo da inteligência artificial, a infraestrutura dentro dos centros de dados está sobrecarregada para mover informações rapidamente, por exemplo, entre processadores e memória. Os centros de dados de última geração já estão usando links de fibra óptica para transportar dados, mas a maioria deles ainda depende de lasers de comprimento de onda único.
Os pentes de frequência mudam isso. Em vez de um feixe carregando um fluxo de dados, dezenas de feixes podem operar em paralelo através da mesma fibra. Esse é o princípio por trás da multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), a tecnologia que transformou a internet em uma rede global de alta velocidade no final dos anos 1990.
Ao tornar os pentes de múltiplos comprimentos de onda de alta potência pequenos o suficiente para caber diretamente em um chip, a equipe de Lipson possibilitou trazer essa capacidade para as partes mais compactas e sensíveis a custo dos sistemas de computação modernos. Além dos centros de dados, os mesmos chips poderiam permitir espectrômetros portáteis, relógios ópticos ultra-precisos, dispositivos quânticos compactos e até mesmo sistemas LiDAR avançados.
“Isto é sobre trazer fontes de luz de qualidade de laboratório para dispositivos do mundo real,” diz Gil-Molina. “Se você puder torná-los poderosos, eficientes e pequenos o suficiente, pode colocá-los em quase qualquer lugar.”
