Cientista desenvolve um quantum de banda larga

27 de julho de 2023

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pela Academia Chinesa de Ciências

Desde a concepção do pente de frequência a laser no final da década de 1990, ele revolucionou a medição precisa de frequência e tempo. Além de seu uso inicial em relógios ópticos e espectroscopia de precisão, os pentes de frequência óptica (OFCs) têm apresentado forte potencial para diversas aplicações, incluindo espectroscopia ultravioleta e infravermelha (IR), sensoriamento remoto, síntese de frequência óptica e comunicações ópticas de alta velocidade.

No entanto, os fortes pulsos ópticos entregues por um OFC modulado em amplitude (AM) não são favoráveis ​​aos sistemas densos de multiplexação por divisão de comprimento de onda (DWDM) nos quais muitos moduladores de microanel são implantados. Isso ocorre porque a alta potência instantânea dos pulsos ópticos resultaria em fortes não-linearidades térmicas.

Por outro lado, a formação de um OFC de banda larga depende de uma engenharia cuidadosa da dispersão da velocidade do grupo (GVD) do guia de ondas, o que é um desafio para plataformas onde o GVD é determinado principalmente pelo material. Conseqüentemente, o tamanho, peso, consumo de energia e custo do sistema (SWaP-C) dos OFCs devem ser melhorados para o uso de OFCs na indústria.

Em um novo artigo publicado na Light: Science & Applications, uma equipe de cientistas, liderada pelo professor John Bowers, do Instituto de Eficiência Energética da Universidade da Califórnia, em Santa Bárbara, EUA, desenvolveu um pente modulado em frequência (FM) baseado em laser avançado de pontos quânticos (QD). Um design adequado da cavidade do laser permite uma largura de banda óptica recorde de 3 dB de 2,2 THz na banda O de telecomunicações.

O espaçamento entre canais é de até 60 GHz, o que é benéfico para eliminar a diafonia do canal na transmissão de dados. O mais interessante é que este pente FM de ondas quase contínuas não fornece pulsos ópticos fortes, o que é favorável para um sistema DWDM integrado.

Aproveitando as vantagens do laser QD, o pente FM de banda larga é gerado a partir de uma cavidade de laser de 1,35 mm de comprimento e 2,6 um de largura, juntamente com uma alta eficiência de tomada de parede de mais de 12%. Em comparação com outras tecnologias OFC integradas, o pente FM baseado em laser QD exibe um SWaP-C superior, que é uma solução que está sendo buscada tanto pela academia quanto pela indústria.

As notáveis ​​propriedades do material QD tornam-no uma plataforma promissora para a geração de pentes FM. A dinâmica de ganho ultrarrápida permite a não-linearidade de Kerr gigante e a mistura de quatro ondas, o que torna o laser QD um melhor candidato para geração de pente FM na banda de comunicação óptica do que os lasers de diodo de poço quântico convencionais.

É importante ressaltar que esta abordagem relatada nos permite melhorar a largura de banda óptica sem a necessidade de engenharia cuidadosa da dispersão do guia de ondas. Essa conquista é realizada pela engenharia da não linearidade de Kerr, que pode ser simplesmente controlada por uma tensão aplicada à seção absorvedora saturável do laser. Como tal, esta abordagem reduz os desafios no processo de fabricação. Esses cientistas comentam suas conquistas neste trabalho:

"Esta é uma evolução do pensamento. O primeiro laser de modo bloqueado foi demonstrado em 1963, e um enorme progresso foi feito desde então. Costumava-se pensar que um laser de modo bloqueado deveria fornecer pulsos ópticos fortes por causa de seu AM (amplitude- modulação). No entanto, demonstramos que isso não é necessário. O laser bloqueado no modo FM (modulado em frequência) está passando por um renascimento. É sua natureza fornecer um espectro de banda larga e topo plano junto com um quase- emissão de ondas contínuas."