Gerando múltiplas cores em chips fotônicos

A produção de luz coerente sintonizável por ressonadores óticos em chips é uma passo essencial para passarmos de volumosos laseres para dispositivos integrados. Laseres convencionais empregam diversas técnicas para gerar luz em diferentes faixas do espectro e são geralmente limitados a laboratórios científicos. No entanto, baseando-se apenas nas propriedades intrínsecas de chips fotônicos de nitreto de silício, conseguimos desenvolver um oscilador que converte luz do infravermelho próximo em feixes nas faixas do visível e de telecomunicações simultaneamente. Esta geração com uma separação recorde de 346 THz pode levar a aplicações que vão da espectroscopia às comunicações quânticas.

Artigo: Parametric sideband generation in CMOS-compatible oscillators from visible to telecom wavelengths, by Renato R. Domeneguetti et al.

►Acesse aqui o artigo na íntegra


Quando queremos nos comunicar, a luz é o limite. No início empregávamos ondas de rádio para enviar a receber sinais à distância, dividindo o espetro de frequências em canais. Fica claro que para aumentar o número de fatias no espectro, precisávamos passar a frequências cada vez mais altas. Hoje, a massa de dados é distribuída em uma rede global de fibras óticas através de laseres operando em frequências de 200 THz (ou 200 trilhões de oscilações por segundo).

Quando queremos medir, a luz é o limite. A cor emitida pelos materiais excitados nos dá a identificação dos elementos que os compõem, de como eles estão arranjados, e seu brilho nos diz quanto de cada substância há em uma amostra. É assim que sabemos do que é feita a atmosfera de outros planetas, ou podemos dizer se um copo de água está contaminado por substâncias tóxicas.
 
Quando queremos precisão, o controle obtido sobre a luz permite chegar aos limites últimos  ditados pela mecânica quântica. Este controle imenso nos dá protocolos ultra-seguros de criptografia, ou precisões de medição de deslocamento tão sutis que permitem "ouvir" buracos negros colidindo em galáxias distantes pela perturbação minúscula em espelhos suspensos.
 
As ferramentas básicas para tais proezas sempre envolvem osciladores, como os laseres, que acionamos cada vez que nos ligamos à internet. Fazer osciladores menores, mais versáteis, operando em uma faixa cada vez maior de cores é um desafio permanente à engenhosidade. Foi através da engenhosidade que o Dr. Renato R. Domeneguetti, em sua tese defendida no IFUSP, conseguiu fazer com que osciladores de nitreto de silício, do tamanho de 1/7 de mm, gerassem simultaneamente luz no visível e luz infravermelha. Os osciladores são projetados e fabricados em chips pelo grupo de Nanofotônica da Univ. de Columbia (EUA) (em colaboração com a Profa. Michal Lipson e o Prof. Alex Gaeta).
 
Para conseguir este acoplamento entre campos tão diferentes em um único oscilador foi empregada a superposição de perfis espaciais distintos entre o guia de onda e o anel, como podemos ver na figura. Com isso o feixe no infravermelho próximo, produzido por um laser em 377 THz, se acopla a um anel micrométrico e transfere energia para outras duas frequências ressonantes nesta cavidade. A luz verde emitida em 204 THz era facilmente visível, enquanto que a luz em 550 THz é injetada em uma fibra ótica e caracterizada em um equipamento de uso em telecomunicações.
 
As utilidades de tal sistema vão desde a geração de luz sintonizável por uma fonte compacta permitindo aplicações em espectroscopia (como vemos no filme, com a geração de luz laranja), a possíveis usos em comunicação em nível quântico, uma vez que os feixes gêmeos devem apresentar correlações fóton a fóton. Saiba mais...

Foto: Marcelo Martinelli - LMCAL IFUSP