Pesquisadores de Stanford revelaram um novo tipo de pente de frequência, um dispositivo de medição de alta precisão, que é inovadormente pequeno, ultraeficiente em termos de energia e excepcionalmente preciso. Com desenvolvimento contínuo, esta inovadora "micropente" - detalhada em um estudo publicado em 7 de março na Nature – poderia ser a base para a adoção em massa dos dispositivos eletrônicos do dia a dia.



Os pentes de frequência são lasers especializados que geram linhas de luz uniformemente espaçadas, semelhantes aos dentes de um pente ou, mais apropriadamente, às marcas de uma régua. Em aproximadamente um quarto de século de seu desenvolvimento, essas “réguas da luz” revolucionaram muitos tipos de medição de alta precisão, desde a cronometragem até a detecção molecular por meio de espectroscopia. No entanto, como os pentes de frequência requerem equipamentos volumosos, dispendiosos e que consomem muita energia, a sua implantação tem sido largamente limitada a ambientes laboratoriais.

Os pesquisadores descobriram uma solução alternativa para esses problemas integrando duas abordagens diferentes para miniaturizar pentes de frequência em uma plataforma simples e facilmente produzível no estilo microchip. Entre as muitas aplicações que os pesquisadores imaginam para sua tecnologia versátil estão poderosos dispositivos de diagnóstico médico portáteis e sensores generalizados de monitoramento de gases de efeito estufa.

"A estrutura do nosso pente de frequência reúne os melhores elementos da tecnologia emergente de microcomb em um único dispositivo", disse Hubert Stokowski, pós-doutorado no laboratório de Amir Safavi-Naeini e principal autor do estudo. "Podemos potencialmente dimensionar nosso novo microcomb de frequência para dispositivos compactos, de baixo consumo de energia e baratos que podem ser implantados em praticamente qualquer lugar."

“Estamos muito entusiasmados com esta nova tecnologia de microcomb que demonstramos para novos tipos de sensores de precisão que são pequenos e eficientes o suficiente para algum dia estarem no telefone de alguém”, disse Safavi-Naeini, professor associado do Departamento de Física Aplicada. na Escola de Humanidades e Ciências de Stanford e autor sênior do estudo.

Luz de disputa

Este novo dispositivo é chamado de Oscilador Paramétrico Óptico Modulado em Frequência Integrado, ou FM-OPO.

O nome complexo da ferramenta indica que ela combina duas estratégias para criar a gama de frequências distintas, ou cores de luz, que constituem um pente de frequências. Uma estratégia, chamada oscilação paramétrica óptica, envolve o reflexo de feixes de luz laser dentro de um meio cristalino, onde a luz gerada se organiza em pulsos de ondas coerentes e estáveis.

A segunda estratégia centra-se no envio de luz laser para uma cavidade e, em seguida, na modulação da fase da luz – obtida pela aplicação de sinais de radiofrequência ao dispositivo – para, em última análise, produzir repetições de frequência que atuam de forma semelhante como pulsos de luz.

Essas duas estratégias para microcombes não têm sido amplamente utilizadas porque ambas apresentam desvantagens. Esses problemas incluem ineficiência energética, capacidade limitada de ajustar parâmetros ópticos e "largura de banda óptica" do pente abaixo do ideal, onde as linhas semelhantes a um pente desaparecem à medida que a distância do centro do pente aumenta.

Os pesquisadores abordaram o desafio novamente através de seu trabalho em uma plataforma de circuito óptico altamente promissora baseada em um material chamado niobato de lítio de película fina. O material possui propriedades vantajosas em comparação ao silício, material padrão da indústria. Duas dessas propriedades úteis são a "não-linearidade" (permite que feixes de luz de cores diferentes interajam entre si para gerar novas cores ou comprimentos de onda) e uma ampla gama de comprimentos de onda de luz pode passar através dela.

Os pesquisadores criaram os componentes no centro do novo pente de frequência usando fotônica integrada de niobato de lítio. Essas tecnologias de manipulação de luz baseiam-se em avanços no campo relacionado e mais estabelecido da fotônica de silício, que envolve a fabricação de circuitos integrados ópticos e eletrônicos em microchips de silício. Dessa forma, o niobato de lítio e a fotônica de silício expandiram-se para os semicondutores em chips de computador convencionais, cujas raízes remontam à década de 1950.

"O niobato de lítio tem certas propriedades que o silício não tem, e não poderíamos ter feito nosso dispositivo microcomb sem ele", disse Safavi-Naeini.

Desempenho surpreendentemente excelente

Em seguida, os pesquisadores reuniram elementos de estratégias de amplificação paramétrica óptica e modulação de fase. A equipe esperava certas características de desempenho do novo sistema de pente de frequência em chips de niobato de lítio – mas o que eles viram foi muito melhor do que esperavam.

No geral, o pente produziu uma saída contínua em vez de pulsos de luz, o que permitiu aos pesquisadores reduzir a potência de entrada necessária em aproximadamente uma ordem de grandeza. O dispositivo também produziu um pente convenientemente "plano", o que significa que as linhas do pente mais distantes em comprimento de onda do centro do espectro não perderam intensidade, oferecendo assim maior precisão e utilidade mais ampla em aplicações de medição.

“Ficamos realmente surpresos com este pente”, disse Safavi-Naeini. "Embora tivéssemos alguma intuição de que obteríamos comportamentos semelhantes aos de um pente, não estávamos realmente tentando fazer exatamente esse tipo de pente e levamos alguns meses para desenvolver as simulações e a teoria que explicavam suas principais propriedades."

Para obter mais informações sobre seu dispositivo de alto desempenho, os pesquisadores recorreram a Martin Fejer, professor de física J. G. Jackson e C. J. Wood e professor de física aplicada em Stanford. Junto com outros colegas em Stanford, Fejer ajudou a promover tecnologias fotônicas modernas de niobato de lítio em filmes finos e a compreensão das propriedades cristalinas do material.

Fejer, que também é coautor do estudo, fez a conexão fundamental entre os princípios físicos subjacentes ao microcomb e as ideias discutidas na literatura científica da década de 1970, particularmente os conceitos iniciados por Stephen Harris, professor emérito de física aplicada e engenharia elétrica em Stanford.

Os novos microcombs, com maior afiação, deverão ser facilmente fabricados em fundições convencionais de microchips, com muitas aplicações práticas, como detecção, espectroscopia, diagnósticos médicos, comunicações de fibra óptica e dispositivos vestíveis de monitoramento de saúde.

“Nosso chip microcomb pode ser colocado em qualquer coisa, com o tamanho do dispositivo dependendo do tamanho da bateria”, disse Stokowski. “A tecnologia que demonstramos poderia estar dentro de um dispositivo pessoal de baixa potência, do tamanho de um telefone ou até menor, e servir a todos os tipos de propósitos úteis”.

Mais informações: Amir Safavi-Naeini, oscilador paramétrico óptico integrado de frequência modulada, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07071-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07071-2
Informações do diário: Natureza

Fornecido pela Universidade de Stanford