Sobre a descoberta

“À medida que enviávamos cada vez mais potência através do chip, notamos que ele 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, muito parecido com as bandas 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 várias canais de dados operem simultaneamente, uma vez que cada cor de luz pode transportar informações sem interferir nas outras.

Geralmente, gerar um pente de frequência poderoso requer lasers e amplificadores volumosos e caros. Em um novo estudo publicado na Nature Photonics, Lipson, 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 data centers criaram uma demanda tremenda por fontes de luz potentes e eficientes que contenham muitas 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 prateleiras 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 mais um 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 data centers sejam o mais eficientes possível.”

Purificando a luz confusa

O avanço da equipe começou com uma pergunta simples: quão potente um laser eles poderiam integrar em um chip?

Decidiram trabalhar com um diodo a 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 tipicamente caóticos ou “confusos”, tornando-os inadequados para aplicações de precisão.

Incorporar tal laser em um chip de fotônica de silício, onde a luz viaja através de caminhos microscópicos com apenas alguns micrômetros ou até centenas de nanômetros de largura, exigiu engenharia intrincada.

“Usamos algo chamado mecanismo de bloqueio para purificar essa fonte de luz poderosa, mas muito ruidosa,” diz Gil-Molina. O método se baseia na fotônica de silício para remodelar 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 uniformemente espaçadas, 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 é importante agora

A sincronização para esse avanço não é coincidência. Com o crescimento explosivo da inteligência artificial, a infraestrutura dentro dos data centers está se esforçando para mover informações rapidamente, por exemplo, entre processadores e memória. Data centers de última geração já estão utilizando links de fibra óptica para transportar dados, mas a maioria deles ainda depende de lasers de comprimento de onda único.

Pentes de frequências 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 do multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM), a tecnologia que transformou a internet em uma rede global de alta velocidade no final da década de 1990.

Ao tornar pentes de múltiplos comprimentos de ondas de alta potência pequenos o suficiente para se encaixarem diretamente em um chip, a equipe de Lipson tornou possível trazer essa capacidade para as partes mais compactas e sensíveis a custos dos sistemas computacionais modernos. Além dos data centers, os mesmos chips poderiam viabilizar espectrômetros portáteis, relógios ópticos ultra-precisos, dispositivos quânticos compactos e até mesmo sistemas LiDAR avançados.

“Isso é sobre trazer fontes de luz de qualidade de laboratório para dispositivos do mundo real,” diz Gil-Molina. “Se você puder torná-las poderosas, eficientes e pequenas o suficiente, poderá colocá-las em quase qualquer lugar.”