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Pesquisadores do MIT projetaram um filtro óptico em um chip que pode processar sinais ópticos de um espectro extremamente amplo de luz de uma só vez, algo nunca antes disponível para sistemas ópticos integrados que processam dados usando luz. Imagem: E. Salih Magden
O sistema baseado em silício oferece alternativas menores e mais baratas a outros filtros de “banda larga”; poderia melhorar uma variedade de dispositivos fotônicos.
MIT pesquisadores projetaram um filtro óptico em um chip que pode processar sinais ópticos de um espectro extremamente amplo de luz de uma só vez, algo nunca antes disponível para sistemas ópticos integrados que processam dados usando luz. A tecnologia pode oferecer maior precisão e flexibilidade para projetar sistemas de comunicação óptica e sensores, estudar fótons e outras partículas por meio de técnicas ultrarrápidas e em outras aplicações.
Filtros ópticos são usados para separar uma fonte de luz em duas saídas separadas: uma reflete comprimentos de onda indesejados – ou cores – e a outra transmite comprimentos de onda desejados. Instrumentos que requerem radiação infravermelha, por exemplo, usarão filtros ópticos para remover qualquer luz visível e obter sinais infravermelhos mais limpos.
Os filtros ópticos existentes, no entanto, apresentam vantagens e desvantagens. Filtros discretos (fora do chip) de “banda larga”, chamados filtros dicróicos, processam amplas porções do espectro de luz, mas são grandes, podem ser caros e requerem muitas camadas de revestimentos ópticos que refletem determinados comprimentos de onda. Os filtros integrados podem ser produzidos em grandes quantidades de forma barata, mas normalmente cobrem uma faixa muito estreita do espectro, por isso muitos devem ser combinados para filtrar de forma eficiente e seletiva porções maiores do espectro.
Pesquisadores do Laboratório de Pesquisa de Eletrônica do MIT projetaram o primeiro filtro no chip que, essencialmente, corresponde à cobertura de banda larga e ao desempenho de precisão dos filtros volumosos, mas pode ser fabricado usando métodos tradicionais de fabricação de chips de silício.
“Este novo filtro utiliza como entrada uma faixa extremamente ampla de comprimentos de onda dentro de sua largura de banda e os separa com eficiência em dois sinais de saída, independentemente da largura exata ou do comprimento de onda da entrada. Essa capacidade não existia antes na óptica integrada”, diz Emir Salih Magden, ex-Ph.D. estudante do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT e primeiro autor de um artigo descrevendo os filtros publicado hoje em Comunicações da Natureza.
Os coautores do artigo, juntamente com Magden, que agora é professor assistente de engenharia elétrica na Universidade Koç, na Turquia, são: Nanxi Li, estudante de pós-graduação da Universidade de Harvard; e, do MIT, o estudante de pós-graduação Manan Raval; o ex-aluno de pós-graduação Christopher V. Poulton; o ex-pós-doutorado Alfonso Ruocco; associado de pós-doutorado Neetesh Singh; o ex-cientista pesquisador Diedrik Vermeulen; Erich Ippen, Professor Elihu Thomson no EECS e no Departamento de Física; Leslie Kolodziejski, professora do EECS; e Michael Watts, professor associado do EECS.
Ditando o fluxo de luz
Os pesquisadores do MIT projetaram uma nova arquitetura de chip que imita filtros dicróicos de várias maneiras. Eles criaram duas seções de guias de onda de silício dimensionados com precisão e alinhados (até o nanômetro) que transformam diferentes comprimentos de onda em diferentes saídas.
Os guias de onda têm seções transversais retangulares normalmente feitas de um “núcleo” de material de alto índice – o que significa que a luz viaja lentamente através dele – cercado por um material de baixo índice. Quando a luz encontra os materiais de índice mais alto e mais baixo, ela tende a saltar em direção ao material de índice mais alto. Assim, no guia de ondas, a luz fica presa e viaja ao longo do núcleo.
Os pesquisadores do MIT usam guias de onda para guiar com precisão a entrada de luz até as saídas de sinal correspondentes. Uma seção do filtro dos pesquisadores contém um conjunto de três guias de ondas, enquanto a outra seção contém um guia de ondas ligeiramente mais largo do que qualquer um dos três guias individuais.
Em um dispositivo que utiliza o mesmo material para todos os guias de ondas, a luz tende a viajar ao longo do guia de ondas mais largo. Ao ajustar as larguras do conjunto de três guias de ondas e as lacunas entre eles, os pesquisadores fazem com que pareçam um único guia de ondas mais amplo, mas apenas para luz com comprimentos de onda mais longos. Os comprimentos de onda são medidos em nanômetros, e o ajuste dessas métricas de guia de onda cria um “corte”, ou seja, o nanômetro preciso de comprimento de onda acima do qual a luz “verá” o conjunto de três guias de onda como um único.
No artigo, por exemplo, os pesquisadores criaram um único guia de ondas medindo 318 nanômetros e três guias de ondas separados medindo 250 nanômetros cada, com intervalos de 100 nanômetros entre eles. Isso correspondeu a um corte de cerca de 1.540 nanômetros, que está na região do infravermelho. Quando um feixe de luz entrava no filtro, comprimentos de onda medindo menos de 1.540 nanômetros podiam detectar um guia de ondas largo de um lado e três guias de ondas mais estreitos do outro. Esses comprimentos de onda se movem ao longo do guia de ondas mais amplo. Comprimentos de onda superiores a 1.540 nanômetros, entretanto, não conseguem detectar espaços entre três guias de onda separados. Em vez disso, eles detectam um guia de ondas enorme, mais largo que o guia de ondas único, então mova-se em direção aos três guias de ondas.
“O fato de esses longos comprimentos de onda serem incapazes de distinguir essas lacunas e vê-las como um único guia de ondas é metade do quebra-cabeça. A outra metade é projetar transições eficientes para direcionar a luz através desses guias de onda em direção às saídas”, diz Magden.
O design também permite um roll-off muito acentuado, medido pela precisão com que um filtro divide uma entrada perto do corte. Se o roll-off for gradual, algum sinal de transmissão desejado vai para a saída indesejada. Um roll-off mais nítido produz um sinal mais limpo, filtrado com perda mínima. Nas medições, os pesquisadores descobriram que seus filtros oferecem roll-offs cerca de 10 a 70 vezes mais nítidos do que outros filtros de banda larga.
Como componente final, os pesquisadores forneceram diretrizes para as larguras e lacunas exatas dos guias de ondas necessárias para atingir diferentes pontos de corte para diferentes comprimentos de onda. Dessa forma, os filtros são altamente personalizáveis para funcionar em qualquer faixa de comprimento de onda. “Depois de escolher quais materiais usar, você pode determinar as dimensões necessárias do guia de ondas e projetar um filtro semelhante para sua própria plataforma”, diz Magden.
Ferramentas mais nítidas
Muitos desses filtros de banda larga podem ser implementados em um sistema para processar sinais de maneira flexível de todo o espectro óptico, incluindo divisão e combinação de sinais de múltiplas entradas em múltiplas saídas.
Isso poderia abrir caminho para “pentes ópticos” mais nítidos, uma invenção relativamente nova que consiste em pulsos de luz de femtosegundo (um quatrilionésimo de segundo) uniformemente espaçados de todo o espectro de luz visível – com alguns abrangendo zonas ultravioleta e infravermelha – resultando em milhares de linhas individuais de sinais de radiofrequência que lembram “dentes” de um pente. Os filtros ópticos de banda larga são essenciais na combinação de diferentes partes do pente, o que reduz ruídos de sinal indesejados e produz dentes de pente muito finos em comprimentos de onda exatos.
Como a velocidade da luz é conhecida e constante, os dentes do pente podem ser usados como uma régua para medir a luz emitida ou refletida por objetos para diversos fins. Uma nova aplicação promissora para os pentes é alimentar “relógios ópticos” para GPS satélites que poderiam potencialmente identificar a localização de um usuário de celular até o centímetro ou até mesmo ajudar a detectar melhor ondas gravitacionais. O GPS funciona rastreando o tempo que um sinal leva para viajar de um satélite até o telefone do usuário. Outras aplicações incluem espectroscopia de alta precisão, possibilitada por pentes ópticos estáveis que combinam diferentes porções do espectro óptico em um feixe, para estudar as assinaturas ópticas de átomos, íons e outras partículas.
Nessas e em outras aplicações, é útil ter filtros que cubram porções amplas e muito diferentes do espectro óptico em um dispositivo.
“Quando tivermos relógios realmente precisos com sinais ópticos e de radiofrequência nítidos, será possível obter posicionamento e navegação mais precisos, melhor qualidade de receptor e, com a espectroscopia, obter acesso a fenómenos que não conseguia medir antes”, diz Magden.
Referência: “Filtros dicróicos fotônicos de silício transmissivo com guias de onda espectralmente seletivos” por Emir Salih Magden, Nanxi Li, Manan Raval, Christopher V. Poulton, Alfonso Ruocco, Neetesh Singh, Diedrik Vermeulen, Erich P. Ippen, Leslie A. Kolodziejski e Michael R Watts, 1º de agosto de 2018, Comunicações da Natureza.
DOI: 10.1038/s41467-018-05287-1