Os pentes de frequência estão se tornando uma das grandes tecnologias facilitadoras do século XXI. Relógios atômicos de alta precisão, e a espectroscopia de alta precisão são apenas duas tecnologias que se beneficiaram do desenvolvimento de pentes de frequência altamente precisos. Contudo, as fontes originais do pente de frequência exigiam uma sala cheia de equipamentos. E acontece que se você sugerir que uma sala cheia de equipamentos delicados é perfeita para uma aplicação comercial, o engenheiro de desenvolvimento segue direto para a saída mais próxima.

Essas desvantagens seriam resolvidas com a criação de dispositivos baseados em chip que sejam robustos o suficiente para suportar os rigores do uso diário. Fazer isso, os cientistas precisam equilibrar as propriedades dos materiais com o comportamento da luz em um guia de ondas. Este equilíbrio é mais fácil de projetar em vidro, enquanto para aplicativos e integração com dispositivos existentes, seria melhor usar silício.

É difícil fazer pentes de frequência muito ampla a partir de guias de onda de silício, mas a engenhosa engenharia de guia de ondas pode tornar essa tarefa um pouco mais fácil. Zhang e colegas, reportando Fotônica Avançada , mostraram uma maneira de fazer um guia de ondas de índice graduado que permite que a largura de um pente de frequência seja mais do que duplicada (em comparação com um guia de ondas normal).

Alinhamento de pico para um pente mais amplo?

Um pente de frequência é um espectro de luz que consiste em muitas frequências bem definidas e igualmente espaçadas. Um espectro de energia se parece muito com um pente, daí o nome.

A geração do pente de frequência é um equilíbrio delicado entre as propriedades do material que permitem que a luz gere novas cores de luz (referido como a não linearidade óptica), a configuração do caminho que a luz segue (o ressonador óptico), e a dispersão (como a velocidade da luz varia com o comprimento de onda no material). O último item, dispersão, geralmente é o assassino, e é aqui que se concentra o trabalho de Zhang e colegas. Para gerar um pente de frequência muito ampla, as cores que compõem o pente devem estar todas em fase umas com as outras. Colocado de forma concreta:se duas ondas em um ponto têm seus picos alinhados, então, em algum ponto mais adiante no espaço e no tempo, esses picos ainda devem se alinhar. Mas, normalmente, isso nunca acontece, e os picos passam um pelo outro, impedindo que novas frequências sejam geradas.

Engenharia para o resgate

Para compensar a dispersão do material, pesquisadores muitas vezes recorrem à engenharia de guias de ondas. Uma vez que os guias de ondas são feitos de materiais, eles têm dispersão, e o confinamento do próprio guia de ondas introduz outro tipo de dispersão. Esta dispersão depende da forma do guia de ondas, as dimensões, bem como os materiais que são usados. Isso permite que os engenheiros combatam a dispersão de material por meio de seu projeto de guia de ondas.

Mas, este é um trabalho árduo em silício. O núcleo de silício tem um grande índice de refração em comparação com o revestimento de vidro. A grande diferença entre os dois cria uma forte dispersão que supercompensa a dispersão do material.

A percepção de Zhang e colegas é que a interface entre o revestimento de vidro e o núcleo de silício não precisa ser nítida. Eles projetaram um guia de ondas que tem um núcleo de silício com uma estrutura em espinha de peixe que se estende para fora no revestimento de vidro. O índice de refração efetivo na região mista é a média do vidro e do silício, que faz a transição gradual do silício para o vidro:um guia de ondas de índice graduado.

No índice graduado, as cores vermelhas se espalham para ocupar uma área mais ampla do guia de ondas, enquanto as cores mais azuis são mais confinadas. O efeito líquido é que os diferentes comprimentos de onda se comportam como se estivessem viajando em guias de ondas de diferentes larguras, enquanto eles estão realmente viajando juntos no mesmo guia de ondas. Os pesquisadores se referem a esse efeito como uma fronteira auto-adaptativa. Eles exploraram diferentes configurações para a estrutura em espinha de peixe. Cada configuração aumentou a faixa de comprimento de onda na qual a dispersão era pequena.

Para confirmar que seus guias de onda de índice graduado resultariam em pentes de melhor frequência, a equipe modelou a geração do pente de frequência em guias de onda de índice padrão e graduado. Eles mostraram que o espectro de frequência foi estendido de cerca de 20 THz para cerca de 44 THz.

Acenda a luz

Até agora, os pesquisadores apenas calcularam e modelaram suas estruturas. Contudo, as estruturas propostas foram todas escolhidas com a fabricação em mente, então, uma vez que eles pegam suas roupas de coelho, os dispositivos de teste devem estar a caminho. Então, os pentes de frequência de silício podem realmente suportar seu material. Um bom exemplo:o silício é transparente em uma ampla faixa do infravermelho, que também é a faixa de comprimento de onda necessária para a identificação espectroscópica de moléculas. Um pente de frequência baseado em chip permitirá espectrômetros compactos de alta precisão e alta sensibilidade.