As fibras ópticas são nosso sistema nervoso global, transportando terabytes de dados em todo o planeta em um piscar de olhos.

À medida que essa informação viaja à velocidade da luz ao redor do globo, a energia das ondas de luz saltando dentro das fibras de sílica e polímero criam vibrações minúsculas que levam a pacotes de feedback de ondas sonoras ou acústicas, conhecido como 'fônons'.

Este feedback faz com que a luz se disperse, um fenômeno conhecido como 'espalhamento de Brillouin'.

Para a maior parte da indústria de eletrônicos e comunicações, esta dispersão de luz é um incômodo, reduzindo a potência do sinal. Mas para um grupo emergente de cientistas, este processo de feedback está sendo adaptado para desenvolver uma nova geração de circuitos integrados que prometem revolucionar nossas redes 5G e de banda larga, sensores, comunicação por satélite, sistemas de radar, sistemas de defesa e até mesmo radioastronomia.

"Não é exagero dizer que há um renascimento da pesquisa nesse processo em andamento, "disse o professor Ben Eggleton, Diretor do Nano Institute da University of Sydney e co-autor de um artigo de revisão publicado hoje em Nature Photonics .

"A aplicação dessa interação entre luz e som em um chip oferece a oportunidade para uma revolução de terceira onda em circuitos integrados."

As descobertas da microeletrônica após a Segunda Guerra Mundial representaram a primeira onda em circuitos integrados, que levou à onipresença de dispositivos eletrônicos que dependem de chips de silício, como o telefone celular. A segunda onda veio na virada deste século com o desenvolvimento de sistemas eletrônicos ópticos que se tornaram a espinha dorsal de grandes data centers em todo o mundo.

Primeiro eletricidade, depois luz. E agora a terceira onda está com ondas sonoras.

O professor Eggleton é um pesquisador líder mundial que investiga como aplicar essa interação fóton-fônon para resolver problemas do mundo real. Sua equipe de pesquisa baseada no Sydney Nanoscience Hub e na School of Physics produziu mais de 70 artigos sobre o assunto.

Trabalhando com outros líderes globais na área, hoje ele publicou um artigo de revisão em Nature Photonics delineando a história e o potencial do que os cientistas chamam de 'fotônica integrada de Brillouin'. Seus co-autores são o Professor Christopher Poulton da University of Technology Sydney; Professor Peter Rakich da Universidade de Yale; Professor Michael Steel na Macquarie University; e o Professor Gaurav Bahl da Universidade de Illinois em Urbana-Champaign.

O professor Bahl disse:"Este artigo descreve a rica física que emerge de uma interação tão fundamental como aquela entre luz e som, que é encontrado em todos os estados da matéria.

"Não vemos apenas imensas aplicações tecnológicas, mas também a riqueza de investigações científicas puras que se tornam possíveis. O espalhamento Brillouin da luz nos ajuda a medir as propriedades dos materiais, transformar a forma como a luz e o som se movem pelos materiais, resfriar pequenos objetos, medir o espaço, tempo e inércia, e até mesmo transportar informações ópticas. "

O professor Poulton disse:"O grande avanço aqui está no controle simultâneo das ondas de luz e som em escalas realmente pequenas.

"Este tipo de controle é incrivelmente difícil, até porque os dois tipos de ondas têm velocidades extremamente diferentes. Os enormes avanços na fabricação e na teoria descritos neste artigo demonstram que este problema pode ser resolvido, e que as poderosas interações entre luz e som, como a dispersão de Brillouin, agora podem ser aproveitadas em um único chip. Isso abre a porta para uma série de aplicações que conectam óptica e eletrônicos. "

O professor Steel disse:"Um dos aspectos fascinantes da tecnologia Brillouin integrada é que ela abrange uma gama de descobertas fundamentais em interações de som e luz no nível quântico a dispositivos muito práticos, como filtros flexíveis em comunicações móveis. "

O espalhamento da luz causado por sua interação com fônons acústicos foi previsto pelo físico francês Leon Brillouin em 1922.

Informação de fundo

Nas décadas de 1960 e 1970, foi descoberto um processo interessante em que era possível criar um loop de feedback aprimorado entre os fótons (luz) e os fônons (som). Isso é conhecido como espalhamento de Brillouin estimulado (SBS).

Neste processo SBS, as ondas de luz e som são 'acopladas', um processo aprimorado pelo fato de que o comprimento de onda da luz e do som são semelhantes, embora suas velocidades sejam de muitas ordens de magnitude:a luz viaja 100, 000 vezes mais rápido que o som, o que explica por que você vê o relâmpago antes de ouvir o trovão.

Mas por que você deseja aumentar o poder desse efeito de feedback Brillouin?

"Gerenciar informações em um microchip pode consumir muita energia e produzir muito calor, "Professor Eggleton disse.

"À medida que nossa dependência de dados ópticos aumentou, o processo de interação da luz com os sistemas microeletrônicos tornou-se problemático. O processo SBS nos oferece uma maneira completamente nova de integrar informações ópticas em um ambiente de chip usando ondas sonoras como buffer para desacelerar os dados sem o calor que os sistemas eletrônicos produzem.

"Avançar, os circuitos integrados que usam SBS oferecem a oportunidade de substituir componentes em sistemas de vôo e navegação que podem ser 100 ou 1000 vezes mais pesados. Isso não será uma conquista trivial. "

Reduzindo a complexidade

Como conter o processo de interação luz-som tem sido o ponto principal, mas como o professor Eggleton e colegas apontam em Nature Photonics hoje, a última década viu avanços tremendos.

Em 2017, os pesquisadores Dr. Birgit Stiller e Moritz Merklein do Grupo Eggleton da Universidade de Sydney anunciaram a primeira transferência mundial de luz para informação acústica em um chip. Para enfatizar a diferença entre as velocidades da luz e do som, isso foi descrito como 'armazenar relâmpagos dentro do trovão'.

Dr. Amol Choudhary desenvolveu ainda mais este trabalho em 2018, desenvolver uma técnica de recuperação de informação baseada em chip que eliminou a necessidade de sistemas de processamento volumosos.

"É tudo uma questão de reduzir a complexidade desses sistemas para que possamos desenvolver uma estrutura conceitual geral para um sistema integrado completo, "Professor Eggleton disse.

Há um interesse crescente da indústria e do governo na implantação desses sistemas.

Sydney Nano assinou recentemente uma parceria com a Real Força Aérea Australiana para trabalhar com seu programa Plan Jericho para revolucionar a capacidade de detecção da RAAF. Empresas como a Lockheed Martin e Harris Corporation também estão trabalhando com o Grupo Eggleton.

Os desafios pela frente

Existem barreiras a serem superadas antes que este sistema integrado em escala de chip possa ser implantado comercialmente, mas a recompensa em termos de tamanho, peso e potência (SWAP) valem o esforço, Professor Eggleton disse.

O primeiro desafio é desenvolver uma arquitetura que integre processadores de micro-ondas e radiofrequência com interações óptico-acústicas. Como mostram os resultados do Grupo Eggleton, houve grandes avanços nesse sentido.

Outro desafio vem com a redução do 'ruído' (ou interferência) no sistema causado pela dispersão de luz indesejada que deteriora a relação sinal-ruído. Uma proposição é ter chips operando em temperaturas criogênicas próximas do zero absoluto. Embora isso tenha implicações práticas significativas, também pode trazer processos quânticos em jogo, entregando maior controle da interação fóton-fônon.

Há também uma investigação ao vivo sobre os materiais mais apropriados sobre os quais construir esses sistemas integrados. O silício tem seus atrativos óbvios, já que a maioria dos microeletrônicos é construída usando este produto barato, material abundante.

Contudo, a sílica usada nas fibras ópticas quando acoplada ao substrato de silício significa que informações podem vazar, dada a semelhança dos materiais.

Encontrar materiais elásticos e inelásticos o suficiente para conter as ondas de luz e som e, ao mesmo tempo, permitir que interajam é uma alternativa sugerida. Alguns grupos de pesquisa usam calcogeneto, um substrato de vidro macio com alto índice de refração e baixa rigidez que pode confinar as ondas ópticas e elásticas.

Coautor da crítica, Professor Steel da Macquarie University, disse:"Nesta fase, todos os sistemas materiais têm seus pontos fortes e fracos, e esta ainda é uma área de pesquisa frutífera.

Professor Eggleton disse:"Este novo paradigma no processamento de sinais usando ondas de luz e ondas sonoras abre novas oportunidades para pesquisas fundamentais e avanços tecnológicos."